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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022154929
(43)【公開日】2022-10-13
(54)【発明の名称】発光デバイス及び光源装置
(51)【国際特許分類】
H01S 5/18 20210101AFI20221005BHJP
H01S 5/11 20210101ALI20221005BHJP
【ＦＩ】
H01S5/18
H01S5/11
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021058203
(22)【出願日】2021-03-30
(71)【出願人】
【識別番号】000236436
【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100140442
【弁理士】
【氏名又は名称】柴山 健一
(74)【代理人】
【識別番号】100174399
【弁理士】
【氏名又は名称】寺澤 正太郎
(72)【発明者】
【氏名】廣瀬 和義
(72)【発明者】
【氏名】渡辺 向陽
(72)【発明者】
【氏名】亀井 宏記
【テーマコード（参考）】
5F173
【Ｆターム（参考）】
5F173AB53
5F173AB90
5F173AG20
5F173AR58
5F173AR99
(57)【要約】
【課題】光を集光しつつ出力する光源装置を小型化することが可能な発光デバイスを提供する。
【解決手段】発光デバイス１は、位相変調層１５を備えるＭ点発振のＳ－ｉＰＭレーザである。発光デバイス１からの出射光の角度広がりに対応した波数拡がりをそれぞれ含む４方向の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４が、位相変調層１５の逆格子空間上において形成される。面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のうち少なくとも１つの大きさは、２π／λ（ライトライン）よりも小さい。位相変調層１５に含まれる所定の位相分布φ（ｘ，ｙ）は、出射光を集光するための要素を含む。
【選択図】図１１
【解決手段】発光デバイス１は、位相変調層１５を備えるＭ点発振のＳ－ｉＰＭレーザである。発光デバイス１からの出射光の角度広がりに対応した波数拡がりをそれぞれ含む４方向の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４が、位相変調層１５の逆格子空間上において形成される。面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のうち少なくとも１つの大きさは、２π／λ（ライトライン）よりも小さい。位相変調層１５に含まれる所定の位相分布φ（ｘ，ｙ）は、出射光を集光するための要素を含む。
【選択図】図１１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
発光部と、
前記発光部と光学的に結合され、基本層と、前記基本層とは屈折率が異なり厚さ方向に垂直な面内において二次元状に分布する複数の異屈折率領域とを含む位相変調層と、
を備え、
前記面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、各異屈折率領域の重心が、対応する格子点から離れて配置され、前記格子点周りに所定の位相分布に応じた個別の回転角度を有する第１の形態、及び、前記仮想的な正方格子の格子点を通り前記正方格子に対して傾斜する直線上に配置され、各異屈折率領域の重心と、各異屈折率領域に対応する格子点との距離が、前記所定の位相分布に応じて個別に設定される第２の形態のうちいずれかの形態によって配置されており、
前記仮想的な正方格子の格子間隔と前記発光部の発光波長λとがＭ点発振の条件を満たし、
当該発光デバイスからの出射光の角度広がりに対応した波数拡がりをそれぞれ含む４方向の面内波数ベクトルが前記位相変調層の逆格子空間上において形成され、少なくとも１つの前記面内波数ベクトルの大きさが２π／λよりも小さく、
前記所定の位相分布は、前記出射光を少なくとも一方向において集光するための要素を含む、発光デバイス。
前記発光部と光学的に結合され、基本層と、前記基本層とは屈折率が異なり厚さ方向に垂直な面内において二次元状に分布する複数の異屈折率領域とを含む位相変調層と、
を備え、
前記面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、各異屈折率領域の重心が、対応する格子点から離れて配置され、前記格子点周りに所定の位相分布に応じた個別の回転角度を有する第１の形態、及び、前記仮想的な正方格子の格子点を通り前記正方格子に対して傾斜する直線上に配置され、各異屈折率領域の重心と、各異屈折率領域に対応する格子点との距離が、前記所定の位相分布に応じて個別に設定される第２の形態のうちいずれかの形態によって配置されており、
前記仮想的な正方格子の格子間隔と前記発光部の発光波長λとがＭ点発振の条件を満たし、
当該発光デバイスからの出射光の角度広がりに対応した波数拡がりをそれぞれ含む４方向の面内波数ベクトルが前記位相変調層の逆格子空間上において形成され、少なくとも１つの前記面内波数ベクトルの大きさが２π／λよりも小さく、
前記所定の位相分布は、前記出射光を少なくとも一方向において集光するための要素を含む、発光デバイス。
【請求項2】
前記所定の位相分布の前記要素は、前記出射光を少なくとも２つの集光点に集光するための要素である、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項3】
前記所定の位相分布は、前記出射光を少なくとも２つの点に向けて出射するための第１の位相分布と、前記出射光を集光するための第２の位相分布とを合成して得られる位相分布を前記要素として含む、請求項２に記載の発光デバイス。
【請求項4】
前記少なくとも２つの集光点は、前記厚さ方向と交差する方向に並ぶ、請求項２又は３に記載の発光デバイス。
【請求項5】
前記所定の位相分布の前記要素は、前記出射光を少なくとも４つの集光点に集光するための要素であり、
前記少なくとも４つの集光点は３次元的に分布する、請求項２又は３に記載の発光デバイス。
前記少なくとも４つの集光点は３次元的に分布する、請求項２又は３に記載の発光デバイス。
【請求項6】
前記所定の位相分布は、第１方向に並ぶ複数の輝点を形成するホログラム位相分布と、前記第１方向と交差する第２方向においてのみ集光作用を有するレンズ位相分布とを重畳してなる、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項7】
前記所定の位相分布は、第１方向に並ぶ複数の輝点群を形成するホログラム位相分布と、前記第１方向と交差する第２方向においてのみ集光作用を有するレンズ位相分布とを重畳してなり、
各輝点群は複数の輝点を含み、前記複数の輝点のうち少なくとも２つの輝点の光強度が互いに異なる、請求項１に記載の発光デバイス。
各輝点群は複数の輝点を含み、前記複数の輝点のうち少なくとも２つの輝点の光強度が互いに異なる、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項8】
前記各輝点群は、前記第１方向における位置が互いに異なる第１の輝点、第２の輝点、及び第３の輝点を含み、
前記第２の輝点及び第３の輝点は前記第１の輝点を挟む位置に配置され、
前記第２の輝点及び第３の輝点の光強度は前記第１の輝点の光強度よりも小さい、請求項７に記載の発光デバイス。
前記第２の輝点及び第３の輝点は前記第１の輝点を挟む位置に配置され、
前記第２の輝点及び第３の輝点の光強度は前記第１の輝点の光強度よりも小さい、請求項７に記載の発光デバイス。
【請求項9】
前記所定の位相分布は、第１方向に並ぶ複数の輝点を形成するホログラム位相分布と、前記第１方向及び前記第１方向と交差する第２方向において集光作用を有し、前記第１方向における焦点距離が前記第２方向における焦点距離よりも長いレンズ位相分布とを重畳してなる、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項10】
請求項１に記載の発光デバイスである第１及び第２の発光デバイスを備え、
前記第１の発光デバイスの前記所定の位相分布の前記要素は、前記第１の発光デバイスからの第１の出射光を第１の集光点に向けて集光し、
前記第２の発光デバイスの前記所定の位相分布の前記要素は、前記第２の発光デバイスからの第２の出射光を前記第１の集光点と並ぶ第２の集光点に向けて集光し、
前記第１の出射光と前記第２の出射光とを相互に干渉させて干渉縞を生成する、光源装置。
前記第１の発光デバイスの前記所定の位相分布の前記要素は、前記第１の発光デバイスからの第１の出射光を第１の集光点に向けて集光し、
前記第２の発光デバイスの前記所定の位相分布の前記要素は、前記第２の発光デバイスからの第２の出射光を前記第１の集光点と並ぶ第２の集光点に向けて集光し、
前記第１の出射光と前記第２の出射光とを相互に干渉させて干渉縞を生成する、光源装置。
【請求項11】
前記第１及び第２の発光デバイスと光学的に結合された光学系を更に備え、
前記第１の集光点は、前記第１の発光デバイスと前記光学系との間に位置し、
前記第２の集光点は、前記第２の発光デバイスと前記光学系との間に位置し、
前記第１の出射光と前記第２の出射光とは、前記光学系を通過した後に相互に干渉する、請求項１０に記載の光源装置。
前記第１の集光点は、前記第１の発光デバイスと前記光学系との間に位置し、
前記第２の集光点は、前記第２の発光デバイスと前記光学系との間に位置し、
前記第１の出射光と前記第２の出射光とは、前記光学系を通過した後に相互に干渉する、請求項１０に記載の光源装置。
【請求項12】
請求項２～４のいずれか１項に記載の発光デバイスを備え、
前記発光デバイスの前記所定の位相分布の前記要素は、前記発光デバイスからの第１の出射光を第１の集光点に向けて集光し、前記発光デバイスからの第２の出射光を第２の集光点に向けて集光し、
前記第１の出射光と前記第２の出射光とを相互に干渉させて干渉縞を生成する、光源装置。
前記発光デバイスの前記所定の位相分布の前記要素は、前記発光デバイスからの第１の出射光を第１の集光点に向けて集光し、前記発光デバイスからの第２の出射光を第２の集光点に向けて集光し、
前記第１の出射光と前記第２の出射光とを相互に干渉させて干渉縞を生成する、光源装置。
【請求項13】
前記発光デバイスと光学的に結合された光学系を更に備え、
前記第１及び第２の集光点は、前記発光デバイスと前記光学系との間に位置し、
前記第１の出射光と前記第２の出射光とは、前記光学系を通過した後に相互に干渉する、請求項１２に記載の光源装置。
前記第１及び第２の集光点は、前記発光デバイスと前記光学系との間に位置し、
前記第１の出射光と前記第２の出射光とは、前記光学系を通過した後に相互に干渉する、請求項１２に記載の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、発光デバイス及び光源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、Ｓ－ｉＰＭ（Static-integrable Phase Modulating）レーザの出力に含まれる０次光を取り除くための技術が開示されている。この文献に開示された発光素子は、活性層及び位相変調層を備える。位相変調層は、基本層と、基本層とは屈折率が異なり位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において二次元状に分布する複数の異屈折率領域とを含む。前記面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、各異屈折率領域の重心は、対応する格子点から離れて配置されるとともに、該格子点周りに光像に応じた位相分布に従う回転角度を有する。仮想的な正方格子の格子間隔と活性層の発光波長とはＭ点発振の条件を満たす。位相変調層の逆格子空間上において、光像の角度広がりに対応した波数拡がりをそれぞれ含む４方向の面内波数ベクトルのうち少なくとも１つの大きさは、２π／λよりも小さい。
【0003】
特許文献２には、空間光変調器の制御装置に関する技術が開示されている。この制御装置は、レンズと、空間光変調器と、撮像装置と、算出部と、解析部と、変更部と、を備える。空間光変調器は、複数の変調画素が２次元に配列された変調面を有し、レンズの瞳面に第１の光点及び第２の光点を形成するために、変調面に第１の変調パターンを呈示して第１の変調光を出力する。撮像装置は、複数の光電変換画素が２次元に配列された撮像面を有し、撮像面において第１の変調光によってレンズの焦点面に形成された第１の縞パターン像を撮像し、第１の縞パターン像の光強度分布を表す第１の画像データを生成する。算出部は、第１の画像データに基づいて、強度振幅、位相シフト量、及び強度平均のうち少なくとも１種類の第１のパラメータを算出する。解析部は、第１のパラメータに基づいて、レンズの光軸と変調面の基準座標との相対位置のずれを求める。変更部は、相対位置のずれが減少するように、変調面における基準座標の原点位置を変更する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】国際公開第２０２０／４５４５３号
【特許文献2】特開２０１６－２２４４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来より、光源を備える装置において、光源からの光を集光する光学系としてレンズ等の光学部品が用いられている。このような光源装置の小型化が求められる場合、光源については、例えば半導体発光素子を用いれば顕著な小型化が可能である。一方、光を集光するための光学部品の小型化は難しく、光源装置の小型化を妨げる要因になる。
【0006】
そこで、本開示は、光を集光しつつ出力する光源装置を小型化することが可能な発光デバイス、及びその発光デバイスを備える光源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示による発光デバイスは、発光部及び位相変調層を備える。位相変調層は、発光部と光学的に結合され、基本層と、基本層とは屈折率が異なり厚さ方向に垂直な面内において二次元状に分布する複数の異屈折率領域とを含む。その面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、各異屈折率領域の重心は、対応する格子点から離れて配置され、格子点周りに所定の位相分布に応じた個別の回転角度を有する第１の形態と、仮想的な正方格子の格子点を通り正方格子に対して傾斜する直線上に配置され、各異屈折率領域の重心と、対応する格子点との距離が、所定の位相分布に応じて個別に設定される第２の形態と、のうちいずれか一方の形態によって配置されている。仮想的な正方格子の格子間隔と発光部の発光波長λとは、Ｍ点発振の条件を満たす。当該発光デバイスからの出射光の角度広がりに対応した波数拡がりをそれぞれ含む４方向の面内波数ベクトルが、位相変調層の逆格子空間上において形成される。少なくとも１つの面内波数ベクトルの大きさは、２π／λよりも小さい。上記所定の位相分布は、出射光を集光するための要素を含む。
【0008】
上記の発光デバイスでは、複数の異屈折率領域の各重心が、仮想的な正方格子の対応する格子点から離れて配置され、該格子点周りに所定の位相分布に応じた個別の回転角度を有するか、又は、仮想的な正方格子の格子点を通り該正方格子に対して傾斜する直線上に配置され、各異屈折率領域の重心と、対応する格子点との距離が、所定の位相分布に応じて個別に設定される。このような構造によれば、Ｓ－ｉＰＭレーザとして、任意形状の光像を生成することができる。
【0009】
加えて、この発光デバイスでは、仮想的な正方格子の格子間隔と、発光部の発光波長とが、Ｍ点発振の条件を満たす。通常、Ｍ点発振の定在波状態においては位相変調層内を伝搬する光が全反射してしまい、信号光（例えば＋１次光及び－１次光のうち少なくとも一方）及び０次光の双方の出力が抑制される。しかしながら、この発光デバイスでは、位相変調層の逆格子空間上において、定在波は位相分布による位相変調を受け、出射光の角度広がりに対応した波数拡がりをそれぞれ含む４方向の面内波数ベクトルを形成する。そして、これらの面内波数ベクトルのうち少なくとも１つの大きさが２π／λ（すなわちライトライン）よりも小さくなっている。Ｓ－ｉＰＭレーザでは、各異屈折率領域の配置を工夫することにより、このような面内波数ベクトルの調整が可能である。そして、少なくとも１つの面内波数ベクトルの大きさが２π／λよりも小さい場合、その面内波数ベクトルは、位相変調層の厚さ方向の成分を有するとともに、空気との界面において全反射を生じない。結果的に、信号光の一部が位相変調層から出力される。但し、Ｍ点発振の条件を満たす場合、０次光は面垂直方向へ回折せず、位相変調層からライトライン内には出力されない。すなわち、上記の各発光デバイスによれば、Ｓ－ｉＰＭレーザの出力に含まれる０次光をライトライン内から取り除き、信号光のみを出力することができる。
【0010】
加えて、この発光デバイスでは、上記所定の位相分布が、出射光を集光するための要素を含む。これにより、この発光デバイスは、光を集光しつつ出力することができる。また、上述したように、この発光デバイスでは、集光に寄与しない０次光の出力が抑制されているので、集光に寄与し得る信号光のみを出力することができる。このように、上記の発光デバイスによれば、発光デバイス自身により集光が可能となるので、集光のための光学部品を削減し、光源装置を小型化することができる。
【0011】
上記の発光デバイスにおいて、所定の位相分布の上記要素は、出射光を少なくとも２つの集光点に集光するための要素であってもよい。上記の各発光デバイスによれば、所定の位相分布に含まれる集光のための要素を適宜設計することにより、一つの発光デバイスから少なくとも２つの集光点に出射光を集光することも可能である。故に、光源装置を更に小型化できる。
【0012】
上記の発光デバイスにおいて、所定の位相分布は、出射光を少なくとも２つの点に向けて出射するための第１の位相分布と、出射光を集光するための第２の位相分布とを合成して得られる位相分布を上記要素として含んでもよい。例えばこのような要素によって、出射光を少なくとも２つの集光点に集光することができる。
【0013】
上記の発光デバイスにおいて、少なくとも２つの集光点は、厚さ方向と交差する方向に並んでもよい。この場合、例えば各集光点からの光を互いに干渉させる等の用途に上記の発光デバイスを用いることができる。
【0014】
上記の発光デバイスにおいて、所定の位相分布の上記要素は、出射光を少なくとも４つの集光点に集光するための要素であり、少なくとも４つの集光点は３次元的に分布してもよい。この場合、例えば３次元的（立体的）な光像の作成等の用途に上記の発光デバイスを用いることができる。
【0015】
上記の発光デバイスにおいて、所定の位相分布は、第１方向に並ぶ複数の輝点を形成するホログラム位相分布と、第１方向と交差する第２方向においてのみ集光作用を有するレンズ位相分布とを重畳してなってもよい。この場合、輝度ムラの少ない縞状の光像を得ることができる。このような光像は、例えば３次元形状計測において計測精度を向上させることができる。
【0016】
上記の発光デバイスにおいて、所定の位相分布は、第１方向に並ぶ複数の輝点群を形成するホログラム位相分布と、第１方向と交差する第２方向においてのみ集光作用を有するレンズ位相分布とを重畳してなり、各輝点群は複数の輝点を含み、複数の輝点のうち少なくとも２つの輝点の光強度が互いに異なってもよい。この場合、輝度ムラの少ない縞状の光像を得ることができる。このような光像は、例えば３次元形状計測において計測精度を向上させることができる。また、この場合、各輝点群は、第１方向における位置が互いに異なる第１の輝点、第２の輝点、及び第３の輝点を含み、第２の輝点及び第３の輝点は第１の輝点を挟む位置に配置され、第２の輝点及び第３の輝点の光強度は第１の輝点の光強度よりも小さくてもよい。これにより、第１の方向に沿って光強度が正弦波状に増減する光像を得ることができる。
【0017】
上記の発光デバイスにおいて、所定の位相分布は、第１方向に並ぶ複数の輝点を形成するホログラム位相分布と、第１方向及び第１方向と交差する第２方向において集光作用を有し、第１方向における焦点距離が第２方向における焦点距離よりも長いレンズ位相分布とを重畳してなってもよい。この場合、輝度ムラの少ない縞状の光像を得ることができる。このような光像は、例えば３次元形状計測において計測精度を向上させることができる。
【0018】
本開示による第１の光源装置は、上記いずれかの発光デバイスである第１及び第２の発光デバイスを備える。第１の発光デバイスの所定の位相分布の上記要素は、第１の発光デバイスからの第１の出射光を第１の集光点に向けて集光する。第２の発光デバイスの所定の位相分布の上記要素は、第２の発光デバイスからの第２の出射光を、第１の集光点と並ぶ第２の集光点に向けて集光する。この光源装置は、第１の出射光と第２の出射光とを相互に干渉させて干渉縞を生成する。
【0019】
本開示による第２の光源装置は、出射光を少なくとも２つの集光点に集光する上記の発光デバイスを備える。発光デバイスの所定の位相分布の上記要素は、発光デバイスからの第１の出射光を第１の集光点に向けて集光し、発光デバイスからの第２の出射光を第２の集光点に向けて集光する。この光源装置は、第１の出射光と第２の出射光とを相互に干渉させて干渉縞を生成する。
【0020】
これらの光源装置によれば、第１及び第２の集光点に向けてそれぞれ出射された第１及び第２の出射光による干渉縞が生成される。この干渉縞は、或る方向に沿って光強度が正弦波状に増減する光像である。このような光像は、例えば３次元形状計測に用いられ得る。また、これらの光源装置が備える発光デバイスは、上述したように小型化できる。従って、例えば体内などの極めて小さな空間にも配置されることができ、従来は不可能であったような小さな空間を対象とする３次元形状計測が可能になる。また、出射光を集光するための位相分布は、上記干渉縞の光像を直接生成するための位相分布と比べて単純であるが故に、計算の際に光像に生じるノイズを少なくすることができる。従って、正弦波状に増減する光強度を有する光像を精度良く生成することができ、例えば３次元形状計測における計測誤差を低減することができる。
【0021】
第１の光源装置は、第１及び第２の発光デバイスと光学的に結合された光学系を更に備えてもよい。この場合、第１の集光点は、第１の発光デバイスと光学系との間に位置する。第２の集光点は、第２の発光デバイスと光学系との間に位置する。第１の出射光と第２の出射光とは、光学系を通過した後に相互に干渉する。また、第２の光源装置は、発光デバイスと光学的に結合された光学系を更に備えてもよい。この場合、第１及び第２の集光点は、発光デバイスと光学系との間に位置する。第１の出射光と第２の出射光とは、光学系を通過した後に相互に干渉する。
【0022】
このように、第１及び第２の光源装置が光学系を備えることによって、発光デバイスの光出射面の面積にかかわらず、正弦波状に増減する光強度を有する光像の照射面を拡大することが可能となる。
【発明の効果】
【0023】
本開示によれば、光を集光しつつ出力する光源装置を小型化することが可能な発光デバイス、及びその発光デバイスを備える光源装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本開示の一実施形態に係る発光デバイスの構成を示す一部断面斜視図である。
【図2】発光デバイスの積層構造を示す断面図である。
【図3】位相変調層の平面図である。
【図4】単位構成領域を拡大して示す図である。
【図5】一実施形態の発光デバイスから出射光が出力される様子を模式的に示す図である。
【図6】（ａ）部は、各集光点が発光デバイスの厚さ方向と交差する方向に並ぶ様子を示す図である。（ｂ）部は、各集光点が３次元的に分布する様子を示す図である。
【図7】（ａ）部及び（ｂ）部は、一実施形態の発光デバイスと、従来のＳ－ｉＰＭレーザとの比較を示す図である。
【図8】位相変調層の特定領域内に屈折率略周期構造を適用した例を示す平面図である。
【図9】球面座標からＸＹＺ直交座標系における座標への座標変換を説明する図である。
【図10】Ｍ点発振を行う発光デバイスの位相変調層に関する逆格子空間を示す平面図である。
【図11】面内波数ベクトルに対して回折ベクトルを加えた状態を説明する概念図である。
【図12】ライトラインの周辺構造を模式的に説明するための図である。
【図13】位相分布の一例を概念的に示す図である。
【図14】４方向の面内波数ベクトルから波数拡がりを除いたものに対して回折ベクトルを加えた状態を説明するための概念図である。
【図15】位相変調層の別の形態を示す平面図である。
【図17】レンズ位相分布の例を示す図である。
【図18】レンズ位相分布を部分的に拡大して示す図である。
【図19】一実施形態の発光デバイスを試作し、対物レンズをＺ方向に移動させながら近視野像を撮像した実験の結果を示す図である。
【図20】一実施形態の発光デバイスを試作し、対物レンズをＺ方向に移動させながら近視野像を撮像した実験の結果を示す図である。
【図21】比較のため、位相変調層を備えない通常の発光デバイス（ＬＥＤ）を作製し、同様に近視野像を撮像した結果を示す図である。
【図22】発光デバイスの位相変調層から＋１次光及び－１次光が出射する様子を示す図である。
【図23】レンズ位相分布と、非零ベクトルに相当する成分とを含む位相分布の例を示す図である。
【図24】ホログラム位相分布及びレンズ位相分布を実部と虚部とに分け、実部及び虚部のそれぞれにおいて位相合成する方法の概念図である。
【図25】（ａ）部及び（ｂ）部は、ランダムパターンの例を示す図である。
【図26】（ａ）部及び（ｂ）部は、集光点の位置を示す図である。
【図27】実験において作製した発光デバイスの近視野像を示す図である。
【図28】実験において作製した発光デバイスの近視野像を示す図である。
【図29】実験において作製した発光デバイスの近視野像を示す図である。
【図30】（ａ）部及び（ｂ）部は、集光点の位置を示す図である。
【図31】実験において作製した発光デバイスの近視野像を示す図である。
【図32】実験において作製した発光デバイスの近視野像を示す図である。
【図33】実験において作製した発光デバイスの近視野像を示す図である。
【図34】第２実施形態に係る三次元計測システムの構成を示す模式図である。
【図35】光源装置の構成の一例として、光源装置を模式的に示す図である。
【図36】光源装置の構成の別の例として、光源装置を模式的に示す図である。
【図37】結像面における干渉光像すなわち計測光のパターンを示す図である。
【図38】比較例に係る光源装置の構成を部分的に示す模式図である。
【図39】出射方向の角度θａを小さくした場合の構成を模式的に示す図である。
【図40】変形例に係る光源装置の構成を部分的に示す模式図である。
【図41】（ａ）部及び（ｂ）部は、マスクを設けることによる効果について説明するための図である。
【図42】光を一方向においてのみ集光するためのレンズ位相分布の例を示す図である。
【図43】（ａ）ホログラム位相分布のみによって一の架空平面上に形成される光像の例を模式的に示す図である。（ｂ）（ａ）に示す光像を形成するホログラム位相分布に、図４２に示されたレンズ位相分布を重畳して得られる光像を模式的に示す図である。
【図44】試作した発光デバイスから出射された縞状の光像の遠視野像である。
【図45】比較のため、レンズ位相分布を用いずに、ホログラム位相分布のみによって縞状の光像を形成した場合の遠視野像を示す。
【図48】試作した発光デバイスから出射された縞状の光像の遠視野像である。
【図50】試作した発光デバイスから出射された縞状の光像の遠視野像である。
【図51】Ｘ方向の焦点距離がＹ方向の焦点距離よりも長いレンズ位相分布の例を示す図である。
【図52】（ａ）ホログラム位相分布のみによって形成される光像の例を模式的に示す図であり、図４３（ａ）と同様の光像を示す。（ｂ）（ａ）に示す光像を形成するホログラム位相分布に、図５１に示されたレンズ位相分布を重畳して得られる光像を模式的に示す図である。
【図53】試作した発光デバイスから出射された縞状の光像の遠視野像である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
本開示の発光デバイス及び光源装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0026】
（第１実施形態）
図１は、本開示の一実施形態に係る発光デバイス１の構成を示す一部切欠き斜視図である。図２は、発光デバイス１の積層構造を示す断面図である。図１及び図２では、発光デバイス１の中心において発光デバイス１の厚さ方向に延びる軸をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を定義している。
図１は、本開示の一実施形態に係る発光デバイス１の構成を示す一部切欠き斜視図である。図２は、発光デバイス１の積層構造を示す断面図である。図１及び図２では、発光デバイス１の中心において発光デバイス１の厚さ方向に延びる軸をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を定義している。
【0027】
発光デバイス１は、ＸＹ面内方向において定在波を形成し、位相制御された平面波をその厚み方向と交差する方向に出力するレーザ光源である。発光デバイス１は、Ｓ－ｉＰＭレーザであり、半導体基板１０の主面１０ａに垂直な方向（すなわちＺ方向）又はこれに対して傾斜した方向、或いはその両方を含む方向に向けて、任意形状の光像を出力することができる。
【0028】
図１及び図２に示されるように、発光デバイス１は、半導体基板１０上に設けられた発光部としての活性層１２と、活性層１２を挟む一対のクラッド層１１，１３と、クラッド層１３上に設けられたコンタクト層１４と、を備えている。これらの半導体基板１０、クラッド層１１，１３、及びコンタクト層１４は、例えばＧａＡｓ系半導体、ＩｎＰ系半導体、もしくは窒化物系半導体といった化合物半導体によって構成されている。クラッド層１１のエネルギーバンドギャップ、及びクラッド層１３のエネルギーバンドギャップは、活性層１２のエネルギーバンドギャップよりも大きい。半導体基板１０、クラッド層１１、活性層１２、クラッド層１３、及びコンタクト層１４の厚さ方向は、Ｚ軸方向と一致している。
【0029】
発光デバイス１は、活性層１２と光学的に結合された位相変調層１５を更に備えている。本実施形態では、位相変調層１５は、活性層１２とクラッド層１３との間に設けられている。位相変調層１５の厚さ方向は、Ｚ軸方向と一致している。位相変調層１５は、クラッド層１１と活性層１２との間に設けられてもよい。活性層１２とクラッド層１３との間、及び活性層１２とクラッド層１１との間のうち少なくとも一方には、必要に応じて光ガイド層が設けられてもよい。光ガイド層は、キャリアを活性層１２に効率的に閉じ込めるためのキャリア障壁層を含んでもよい。
【0030】
位相変調層１５は、第１屈折率媒質からなる基本層１５ａと、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり、基本層１５ａ内に存在する複数の異屈折率領域１５ｂとを含んで構成されている。複数の異屈折率領域１５ｂは、格子状の略周期構造を含んでいる。モードの等価屈折率をｎとし、格子間隔をａとした場合、位相変調層１５によって選択される波長λ０は、λ０＝（√２）ａ×ｎとして表される。この波長λ０は、活性層１２の発光波長範囲内に含まれる波長である。位相変調層１５は、活性層１２の発光波長のうち波長λ０近傍のバンド端波長を選択して、外部に出力することができる。位相変調層１５内に入射した光は、位相変調層１５内において異屈折率領域１５ｂの配置に応じた所定のモードを形成し、レーザ光として、発光デバイス１の表面から外部に出射される。
【0031】
発光デバイス１は、コンタクト層１４上に設けられた電極１６と、半導体基板１０の裏面１０ｂ上に設けられた電極１７とを更に備えている。電極１６は、コンタクト層１４とオーミック接触を成す。電極１７は、半導体基板１０とオーミック接触を成す。電極１７は、開口１７ａを裏面１０ｂの中央領域に有している。電極１６は、コンタクト層１４の表面の中央領域に設けられている。コンタクト層１４上における電極１６以外の部分は、保護膜１８（図２を参照）によって覆われている。電極１６と接触していないコンタクト層１４は、電流範囲の限定のために除去されてもよい。半導体基板１０の裏面１０ｂのうち、電極１７が設けられた領域を除く他の領域は、開口１７ａ内を含め、反射防止膜１９によって覆われている。開口１７ａを除く他の領域にある反射防止膜１９は、除去されてもよい。
【0032】
発光デバイス１では、電極１６と電極１７との間に駆動電流が供給されると、活性層１２内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層１２が発光する。この発光に寄与する電子、正孔、及び活性層１２で発生した光は、クラッド層１１とクラッド層１３との間に効率的に閉じ込められる。
【0033】
活性層１２から出射された光は、位相変調層１５の内部に入射し、位相変調層１５の内部の格子構造に応じた所定のモードを形成する。位相変調層１５から出射したレーザ光は、裏面１０ｂから開口１７ａを通って発光デバイス１の外部へ直接的に出力される。或いは、位相変調層１５から出射したレーザ光は、電極１６において反射したのち、裏面１０ｂから開口１７ａを通って発光デバイス１の外部へ出力される。このとき、レーザ光に含まれる信号光は、主面１０ａに垂直な方向、及びその方向に対して傾斜した方向を含む任意方向へ出射する。
【0034】
発光デバイス１からの出射光を構成するのは、この信号光である。信号光は、主としてレーザ光の１次回折光又は－１次回折光（以下、それぞれ１次光及び－１次光と称する）、或いはその両方である。後述するように、本実施形態の位相変調層１５からは、レーザ光の０次光の出力が抑制される。
【0035】
図３は、位相変調層１５の平面図である。同図に示すように、位相変調層１５は、第１屈折率媒質からなる基本層１５ａと、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなる複数の異屈折率領域１５ｂとを含んでいる。図３では、位相変調層１５に対し、ＸＹ面内における仮想的な正方格子を設定している。正方格子の一辺は、Ｘ軸と平行であり、他辺はＹ軸と平行である。正方格子の格子点Ｏを中心とする正方形状の単位構成領域Ｒは、Ｘ軸に沿った複数列及びＹ軸に沿った複数行にわたって二次元状に配列されている。各単位構成領域ＲのＸＹ座標を、それぞれの単位構成領域Ｒの重心位置により規定する。これらの重心位置は、仮想的な正方格子の格子点Ｏと一致する。複数の異屈折率領域１５ｂは、各単位構成領域Ｒ内に例えば１つずつ設けられる。異屈折率領域１５ｂの平面形状は、例えば円形状である。格子点Ｏは、異屈折率領域１５ｂの外部に位置してもよく、異屈折率領域１５ｂの内部に含まれていてもよい。
【0036】
図４は、単位構成領域Ｒを拡大して示す図である。同図に示すように、異屈折率領域１５ｂのそれぞれは、重心Ｇを有する。ここでは、格子点Ｏから重心Ｇに向かうベクトルとＸ軸とのなす角度をα（ｘ，ｙ）とする。ｘは、Ｘ軸におけるｘ番目の格子点の位置、ｙは、Ｙ軸におけるｙ番目の格子点の位置を示す。回転角度αが０°である場合、格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの向きは、Ｘ軸の正方向と一致する。また、格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの長さをｒ（ｘ，ｙ）とする。一例では、ｒ（ｘ，ｙ）は、ｘ、ｙによらず、位相変調層１５の全体にわたって一定である。
【0037】
図３に示すように、格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの向き、すなわち、異屈折率領域１５ｂの重心Ｇの格子点Ｏ周りの回転角度αは、出射光の所望の形状に応じた位相分布φ（ｘ，ｙ）に従って、各格子点Ｏ毎に個別に設定される。本開示では、このような重心Ｇの配置形態を第１の形態と称する。位相分布φ（ｘ，ｙ）は、ｘ，ｙの値で決まる位置毎に特定の値を有するが、必ずしも特定の関数で表わされるとは限らない。回転角度分布α（ｘ，ｙ）は、出射光の所望の形状をフーリエ変換して得られる複素振幅分布のうち、位相分布φ（ｘ，ｙ）を抽出したものから決定される。出射光の所望の形状から複素振幅分布を求める際には、ホログラム生成の計算時に一般的に用いられるGerchberg-Saxton（ＧＳ）法のような繰り返しアルゴリズムを適用するとよい。この場合、ビームパターンの再現性を向上させることが可能である。
【0038】
図５は、本実施形態の発光デバイス１から出射光Ｌｏｕｔが出力される様子を模式的に示す図である。同図に示すように、本実施形態の発光デバイス１は、出射光Ｌｏｕｔの所望の形状として出射光Ｌｏｕｔを集光しつつ出射する、自己集光動作を行う。図５の（ａ）部～（ｃ）部に示すように、出射光Ｌｏｕｔの集光点Ｕの個数は１つであってもよく、２つであってもよく、３つ以上であってもよい。集光点Ｕの個数が２以上である場合、各集光点Ｕは、図６の（ａ）部に示すように、発光デバイス１の厚さ方向（すなわちＺ方向）と交差または直交する方向に並んでもよく、Ｚ方向と交差または直交する平面Ｗ上に分布してもよい。或いは、集光点Ｕの個数が４以上である場合、各集光点Ｕは、図６の（ｂ）部に示すように、３次元的（立体的）に分布してもよい。出射光Ｌｏｕｔの集光点Ｕの分布に応じて、位相分布φ（ｘ，ｙ）及び回転角度分布α（ｘ，ｙ）が決定される。
【0039】
図７は、本実施形態の発光デバイス１と、従来のＳ－ｉＰＭレーザとの比較を示す図である。本実施形態の発光デバイス１は、図７の（ａ）部に示すように、出射光Ｌｏｕｔを集光しつつ出射する。これに対し、従来のＳ－ｉＰＭレーザ１００は、図７の（ｂ）部に示すように、一定の拡がり角をもって出射光Ｌｏｕｔを拡散しつつ出射し、或る投影面ＰＭに光像ＬＭを形成する。
【0040】
図８は、位相変調層１５の特定領域内に屈折率略周期構造を適用した例を示す平面図である。図８に示す例では、正方形の内側領域ＲＩＮの内部に、所望の光像を出射するための略周期構造（例えば図３に示した構造）が形成されている。一方、内側領域ＲＩＮを囲む外側領域ＲＯＵＴには、正方格子の格子点位置と重心位置とが一致する真円形の異屈折率領域１５ｂが配置されている。内側領域ＲＩＮの内部及び外側領域ＲＯＵＴ内において、仮想的に設定される正方格子の格子間隔ａは互いに同一である。図８に示す構造の場合、外側領域ＲＯＵＴ内にも光が分布するので、内側領域ＲＩＮの周辺部での光強度の急激な変化によって生じる高周波ノイズ（いわゆる窓関数ノイズ）の発生を抑制できる。また、厚さ方向に垂直な方向への光漏れを抑制することができ、閾値電流の低減を期待できる。なお、この例に限られず、所望の光像を出射するための略周期構造（例えば図３に示した構造）は、位相変調層１５の全領域に形成されていてもよい。
【0041】
出射光Ｌｏｕｔを集光しつつ出射し、且つ所望の集光点Ｕの分布を得るために、以下の手順によって、位相変調層１５における異屈折率領域１５ｂの回転角度分布α（ｘ、ｙ）を決定する。
【0042】
第１の前提条件として、法線方向に一致するＺ軸と、複数の異屈折率領域１５ｂを含む位相変調層１５の一方の面に一致したＸ－Ｙ平面と、によって規定されるＸＹＺ直交座標系において、正方形状を有するＭ１×Ｎ１個（Ｍ１，Ｎ１は１以上の整数）の単位構成領域Ｒにより構成される仮想的な正方格子をＸ－Ｙ平面上に設定する。
【0043】
第２の前提条件として、ＸＹＺ直交座標系における座標（ξ，η，ζ）は、図９に示すように、動径の長さｒと、Ｚ軸からの傾き角θｔｉｌｔと、Ｘ－Ｙ平面上で特定されるＸ軸からの回転角θｒｏｔと、により規定される球面座標（ｒ,θｒｏｔ,θｔｉｌｔ）に対して、以下の式（１）～式（３）で示された関係を満たしているものとする。図９は、球面座標（ｒ,θｒｏｔ,θｔｉｌｔ）からＸＹＺ直交座標系における座標（ξ，η，ζ）への座標変換を説明するための図であり、座標（ξ，η，ζ）により、実空間であるＸＹＺ直交座標系において設定される所定平面上の設計上の光像が表現される。
【数1】
【数2】
【数3】
【0044】
発光デバイス１から出射される光を、角度θｔｉｌｔ及びθｒｏｔで規定される方向に向かう輝点の集合とするとき、角度θｔｉｌｔおよびθｒｏｔは、以下の式（４）で規定される規格化波数であってＸ軸に対応したＫｘ軸上の座標値ｋｘと、以下の式（５）で規定される規格化波数であってＹ軸に対応すると共にＫｘ軸に直交するＫｙ軸上の座標値ｋｙに換算されるものとする。規格化波数は、仮想的な正方格子の格子間隔に相当する波数２π／ａを１．０として規格化された波数を意味する。このとき、Ｋｘ軸およびＫｙ軸により規定される波数空間において、光像に相当するビームパターンを含む特定の波数範囲は、それぞれが正方形状のＭ２×Ｎ２個（Ｍ２，Ｎ２は１以上の整数）の画像領域ＦＲで構成される。なお、整数Ｍ２は、整数Ｍ１と一致する必要はない。同様に、整数Ｎ２は、整数Ｎ１と一致する必要もない。式（４）および式（５）は、例えばY. Kurosaka et al.," Effects of non-lasing band intwo-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional bandstructure," Opt. Express 20, 21773-21783 (2012)に開示されている。
ａ：仮想的な正方格子の格子定数
λ：発光デバイス１の発振波長
【数4】
【数5】
ａ：仮想的な正方格子の格子定数
λ：発光デバイス１の発振波長
【0045】
第３の前提条件として、波数空間において、Ｋｘ軸方向の座標成分ｋｘ（０以上Ｍ２－１以下の整数）とＫｙ軸方向の座標成分ｋｙ（０以上Ｎ２－１以下の整数）とで特定される画像領域ＦＲ（ｋｘ，ｋｙ）それぞれを、Ｘ軸方向の座標成分ｘ（０以上Ｍ１－１以下の整数）とＹ軸方向の座標成分ｙ（０以上Ｎ１－１以下の整数）とで特定されるＸ－Ｙ平面上の単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）に二次元逆離散フーリエ変換することで得られる複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）は、ｊを虚数単位として、以下の式（６）で与えられる。複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）は、振幅項をＡ（ｘ，ｙ）とすると共に位相項をφ（ｘ，ｙ）とするとき、以下の式（７）により規定される。第４の前提条件として、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）は、Ｘ軸およびＹ軸にそれぞれ平行であって単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の中心となる格子点Ｏ（ｘ，ｙ）において直交する、ｓ軸およびｔ軸で規定される。
【数6】
【数7】
【0046】
上記第１～第４の前提条件の下、位相変調層１５は、以下の第５条件及び第６条件を満たすように構成される。すなわち、第５条件は、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内において、重心Ｇが格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から離れた状態で配置されていることで満たされる。第６条件は、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から対応する重心Ｇまでの線分長ｒ２（ｘ，ｙ）がＭ１個×Ｎ１個の単位構成領域Ｒそれぞれにおいて共通の値に設定された状態で、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）と対応する重心Ｇとを結ぶ線分と、ｓ軸と、の成す角度α（ｘ，ｙ）が、
α（ｘ，ｙ）＝Ｃ×φ（ｘ，ｙ）＋Ｂ
Ｃ：比例定数であって例えば１８０°／π
Ｂ：任意の定数であって例えば０
となる関係を満たすように、対応する異屈折率領域１５ｂが単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に配置されることで満たされる。
α（ｘ，ｙ）＝Ｃ×φ（ｘ，ｙ）＋Ｂ
Ｃ：比例定数であって例えば１８０°／π
Ｂ：任意の定数であって例えば０
となる関係を満たすように、対応する異屈折率領域１５ｂが単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に配置されることで満たされる。
【0047】
次に、発光デバイス１のＭ点発振について説明する。発光デバイス１のＭ点発振のためには、仮想的な正方格子の格子間隔ａ、活性層１２の発光波長λ、及びモードの等価屈折率ｎが、λ＝（√２）ｎ×ａといった条件を満たすとよい。図１０は、Ｍ点発振を行う発光デバイスの位相変調層に関する逆格子空間を示す平面図である。図中の点Ｐは、逆格子点を表している。図中の矢印Ｂ１は、基本逆格子ベクトルを表しており、矢印Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，及びＫ４は、４つの面内波数ベクトルを表している。面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４は、回転角度分布α（ｘ，ｙ）による波数拡がりＳＰをそれぞれ有している。
【0048】
面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４の大きさ（すなわち面内方向の定在波の大きさ）は、基本逆格子ベクトルＢ１の大きさよりも小さい。したがって、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４と基本逆格子ベクトルＢ１とのベクトル和が０にはならず、回折によって面内方向の波数が０となり得ないので、面垂直方向（Ｚ軸方向）への回折は生じない。このままでは、Ｍ点発振の発光デバイス１において、面垂直方向（Ｚ軸方向）への０次光だけでなく、Ｚ軸方向に対して傾斜した方向への＋１次光及び－１次光が出力されない。
【0049】
本実施形態では、Ｍ点発振の発光デバイス１において次のような工夫を位相変調層１５に施すことにより、０次光を出力させずに、＋１次光及び－１次光の一部を出力させる。すなわち、図１１に示すように、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４に対し、ある一定の大きさ及び向きを有する回折ベクトルＶ１を加えることにより、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のうち少なくとも１つ（図では面内波数ベクトルＫ３）の大きさを２π／λ（λ：活性層１２から出力される光の波長）よりも小さくする。言い換えると、回折ベクトルＶ１が加えられた後の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のうち少なくとも１つを、半径２π／λの円状領域であるライトラインＬＬ内に収める。
【0050】
図１１において破線で示される面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４は、回折ベクトルＶ１の加算前を表しており、実線で示される面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４は、回折ベクトルＶ１の加算後を表している。ライトラインＬＬは、全反射条件に対応しており、ライトラインＬＬ内に収まる大きさの波数ベクトルは、面垂直方向（Ｚ軸方向）の成分を有することとなる。一例では、回折ベクトルＶ１の方向は、Γ－Ｍ１軸又はΓ－Ｍ２軸に沿っている。回折ベクトルＶ１の大きさは、２π／（√２）ａ－２π／λから２π／（√２）ａ＋２π／λの範囲内であり、一例では２π／（√２）ａである。
【0051】
続いて、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のうち、少なくとも１つをライトラインＬＬ内に収めるための回折ベクトルＶ１の大きさ及び向きについて検討する。下記の数式（８）～（１１）は、回折ベクトルＶ１が加えられる前の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４を示す。
波数ベクトルの広がりΔｋｘ及びΔｋｙは、下記の数式（１２）及び（１３）をそれぞれ満たす。面内波数ベクトルのｘ軸方向の広がりの最大値Δｋｘｍａｘ及びｙ軸方向の広がりの最大値Δｋｙｍａｘは、設計の光像の角度広がりにより規定される。
【数8】
【数9】
【数10】
【数11】
波数ベクトルの広がりΔｋｘ及びΔｋｙは、下記の数式（１２）及び（１３）をそれぞれ満たす。面内波数ベクトルのｘ軸方向の広がりの最大値Δｋｘｍａｘ及びｙ軸方向の広がりの最大値Δｋｙｍａｘは、設計の光像の角度広がりにより規定される。
【数12】
【数13】
【0052】
回折ベクトルＶ１を下記の数式（１４）のように表したとき、回折ベクトルＶ１が加えられた後の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４は下記の数式（１５）～（１８）となる。
【数14】
【数15】
【数16】
【数17】
【数18】
【0053】
数式（１５）～（１８）において面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のいずれかがライトラインＬＬ内に収まることを考慮すると、下記の数式（１９）の関係が成り立つ。
すなわち、数式（１９）を満たす回折ベクトルＶ１を加えることにより、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のいずれかがライトラインＬＬ内に収まり、＋１次光及び－１次光の一部が出力される。
【数19】
すなわち、数式（１９）を満たす回折ベクトルＶ１を加えることにより、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のいずれかがライトラインＬＬ内に収まり、＋１次光及び－１次光の一部が出力される。
【0054】
ライトラインＬＬの大きさ（半径）を２π／λとしたのは、以下の理由による。図１２は、ライトラインＬＬの周辺構造を模式的に説明するための図である。同図では、Ｚ方向におけるデバイスと空気との境界を示している。真空中の光の波数ベクトルの大きさは２π／λとなるが、図１２のようにデバイス媒質中を光が伝搬するときには、屈折率ｎの媒質内の波数ベクトルＫａの大きさは２πｎ／λとなる。このとき、デバイスと空気の境界を光が伝搬するためには、境界に平行な波数成分が連続している必要がある（波数保存則）。
【0055】
図１２において、波数ベクトルＫａとＺ軸とが角度θをなす場合、面内に投影した波数ベクトル（すなわち面内波数ベクトル）Ｋｂの長さは、（２πｎ／λ）ｓｉｎθとなる。一方で、一般には媒質の屈折率ｎは１より大きいので、媒質内の面内波数ベクトルＫｂが２π／λより大きくなる角度では、波数保存則が成立しなくなる。このとき、光は全反射し、空気側に取り出すことができなくなる。この全反射条件に対応する波数ベクトルの大きさがライトラインＬＬの大きさ、すなわち、２π／λとなる。
【0056】
面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４に回折ベクトルＶ１を加える具体的な方式の一例として、所望の出射光形状に応じた位相分布φ１（ｘ，ｙ）に対し、所望の出射光形状とは無関係の位相分布φ２（ｘ，ｙ）を重畳する方式が考えられる。この場合、位相変調層１５の位相分布φ（ｘ，ｙ）は、φ（ｘ，ｙ）＝φ１（ｘ，ｙ）＋φ２（ｘ，ｙ）として表される。φ１（ｘ，ｙ）は、前に述べたように出射光の所望の形状をフーリエ変換したときの複素振幅の位相に相当する。また、φ２（ｘ，ｙ）は、上記の数式（１９）を満たす回折ベクトルＶ１を加えるための位相分布である。
【0057】
図１３は、位相分布φ２（ｘ，ｙ）の一例を概念的に示す図である。同図の例では、第１の位相値φＡと、第１の位相値φＡとは異なる値の第２の位相値φＢとが市松模様に配列されている。一例では、位相値φＡは、０（ｒａｄ）であり、位相値φＢは、π（ｒａｄ）である。この場合、第１の位相値φＡと、第２の位相値φＢとがπずつ変化する。このような位相値の配列によって、Γ－Ｍ１軸又はΓ－Ｍ２軸に沿う回折ベクトルＶ１を好適に実現することができる。市松模様の配列の場合、Ｖ１＝（±π／ａ，±π／ａ）となり、回折ベクトルＶ１と図１１の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のいずれか一つとが、丁度相殺される。したがって、＋１次光と－１次光との対称軸が、Ｚ方向、すなわち位相変調層１５の面内方向に対して垂直な方向に一致する。一般に、回折ベクトルＶの角度分布θ2（ｘ，ｙ）は、回折ベクトルＶ（Ｖｘ，Ｖｙ）と位置ベクトルｒ（ｘ，ｙ）との内積で表され、次式で与えられる。
θ2（ｘ，ｙ）＝Ｖ・ｒ＝Ｖｘ・ｘ＋Ｖｙ・ｙ
そのため、Ｖ＝Ｖ１の場合、位置ベクトルｒ（ｘａ、ｙａ）（ｘ，ｙはともに整数）とすると位相値は０及びπとなる。一方、前述のように、回折ベクトルＶ１は、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のうち少なくとも１つがライトラインＬＬに入る範囲内であれば、（±π／ａ、±π／ａ）からシフトしていてもよい。
θ2（ｘ，ｙ）＝Ｖ・ｒ＝Ｖｘ・ｘ＋Ｖｙ・ｙ
そのため、Ｖ＝Ｖ１の場合、位置ベクトルｒ（ｘａ、ｙａ）（ｘ，ｙはともに整数）とすると位相値は０及びπとなる。一方、前述のように、回折ベクトルＶ１は、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のうち少なくとも１つがライトラインＬＬに入る範囲内であれば、（±π／ａ、±π／ａ）からシフトしていてもよい。
【0058】
本実施形態において、出射光の角度広がりに基づく波数広がりが、波数空間上の或る点を中心とする半径Δｋの円に含まれる場合、次のように簡略に考えることもできる。４方向の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４に回折ベクトルＶ１を加えることにより、４方向の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のうち少なくとも１つの大きさを２π／λ（ライトラインＬＬ）よりも小さくする。このことは、４方向の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４から波数拡がりΔｋを除いたものに対して回折ベクトルＶ１を加えることにより、４方向の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のうち少なくとも１つの大きさを、２π／λから波数拡がりΔｋを差し引いた値｛（２π／λ）－Δｋ｝より小さくする、と考えてよい。
【0059】
図１４は、上記の考え方を概念的に示す図である。同図に示すように、波数拡がりΔｋを除いた面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４に対して回折ベクトルＶ１を加えると、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のうち少なくとも１つの大きさが｛（２π／λ）－Δｋ｝よりも小さくなる。図１４において、領域ＬＬ２は、半径が｛（２π／λ）－Δｋ｝の円状の領域である。図１４において、破線で示される面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４は、回折ベクトルＶ１の加算前を表しており、実線で示される面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４は、回折ベクトルＶ１の加算後を表している。領域ＬＬ２は、波数拡がりΔｋを考慮した全反射条件に対応しており、領域ＬＬ２内に収まる大きさの波数ベクトルは、面垂直方向（Ｚ軸方向）にも伝搬することとなる。
【0060】
本形態において、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のうち少なくとも１つを領域ＬＬ２内に収めるための回折ベクトルＶ１の大きさ及び向きを説明する。下記の数式（２０）～（２３）は、回折ベクトルＶ１が加えられる前の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４を示す。
【数20】
【数21】
【数22】
【数23】
【0061】
ここで、回折ベクトルＶ１を前述した数式（１４）のように表したとき、回折ベクトルＶ１が加えられた後の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４は、下記の数式（２４）～（２７）となる。
【数24】
【数25】
【数26】
【数27】
【0062】
数式（２４）～（２７）において、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のいずれかが領域ＬＬ２内に収まることを考慮すると、下記の数式（２８）の関係が成り立つ。すなわち、数式（２８）を満たす回折ベクトルＶ１を加えることにより、波数拡がりΔｋを除いた面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のいずれかが領域ＬＬ２内に収まる。このような場合であっても、０次光を出力させずに、＋１次光及び－１次光の一部を出力させることができる。
【数28】
【0063】
図１５は、位相変調層１５の別の形態を示す平面図である。また、図１６は、図１５に示された位相変調層１５における異屈折率領域１５ｂの配置を示す図である。図１５及び図１６に示すように、位相変調層１５の各異屈折率領域１５ｂの重心Ｇは、直線Ｄ上に配置されてもよい。直線Ｄは、各単位構成領域Ｒに対応する格子点Ｏを通り、正方格子の各辺に対して傾斜する直線である。つまり、直線Ｄは、Ｘ軸及びＹ軸の双方に対して傾斜する直線である。正方格子の一辺（Ｘ軸）に対する直線Ｄの傾斜角は、βである。
【0064】
この場合、傾斜角βは、位相変調層１５内において一定である。傾斜角βは、０°＜β＜９０°を満たし、一例ではβ＝４５°である。或いは、傾斜角βは、１８０°＜β＜２７０°を満たし、一例ではβ＝２２５°である。傾斜角βが０°＜β＜９０°または１８０°＜β＜２７０°を満たす場合、直線Ｄは、Ｘ軸及びＹ軸によって規定される座標平面の第１象限から第３象限にわたって延びる。傾斜角βは、９０°＜β＜１８０°を満たし、一例ではβ＝１３５°である。或いは、傾斜角βは、２７０°＜β＜３６０°を満たし、一例ではβ＝３１５°である。傾斜角βが９０°＜β＜１８０°または２７０°＜β＜３６０°を満たす場合、直線Ｄは、Ｘ軸及びＹ軸によって規定される座標平面の第２象限から第４象限にわたって延びる。このように、傾斜角βは、０°、９０°、１８０°及び２７０°を除く角度となっている。
【0065】
ここで、格子点Ｏと重心Ｇとの距離をｒ（ｘ，ｙ）とする。ｘは、Ｘ軸におけるｘ番目の格子点の位置であり、ｙは、Ｙ軸におけるｙ番目の格子点の位置である。距離ｒ（ｘ，ｙ）が正の値である場合、重心Ｇは、第１象限（または第２象限）に位置する。距離ｒ（ｘ，ｙ）が負の値である場合、重心Ｇは、第３象限（または第４象限）に位置する。距離ｒ（ｘ，ｙ）が０である場合、格子点Ｏと重心Ｇとが互いに一致する。傾斜角度は、４５°、１３５°、２２５°、２７５°が好適である。これらの傾斜角度では、Ｍ点の定在波を形成する４つの波数ベクトル（例えば、面内波数ベクトル（±π／ａ、±π／ａ））の中の２つのみが位相変調され、その他の２つが位相変調されないため、安定した定在波を形成することができる。
【0066】
各異屈折率領域の重心Ｇと各単位構成領域Ｒに対応する格子点Ｏとの距離ｒ（ｘ，ｙ）は、所望の出射光形状に応じた位相分布φ（ｘ，ｙ）に従って各異屈折率領域１５ｂ毎に個別に設定される。本開示では、このような重心Ｇの配置形態を第２の形態と称する。位相分布φ（ｘ，ｙ）及び距離分布ｒ（ｘ，ｙ）は、ｘ，ｙの値で決まる位置毎に特定の値を有するが、必ずしも特定の関数で表わされるとは限らない。距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布は、所望の出射光形状を逆フーリエ変換して得られる複素振幅分布のうち位相分布φ（ｘ，ｙ）を抽出したものから決定される。
【0067】
すなわち、或る座標（ｘ，ｙ）における位相φ（ｘ，ｙ）がφ0である場合には、距離ｒ（ｘ，ｙ）を０と設定し、位相φ（ｘ，ｙ）がπ＋φ0である場合には、距離ｒ（ｘ，ｙ）を最大値Ｒ0に設定し、位相φ（ｘ，ｙ）が－π＋φ0である場合には、距離ｒ（ｘ，ｙ）を最小値－Ｒ0に設定する。そして、その中間の位相φ（ｘ，ｙ）に対しては、ｒ（ｘ，ｙ）＝｛φ（ｘ，ｙ）－φ0｝×Ｒ0／πとなるように距離ｒ（ｘ，ｙ）をとる。初期位相φ0は、任意に設定することができる。
【0068】
仮想的な正方格子の格子間隔をａとすると、ｒ（ｘ，ｙ）の最大値Ｒ0は、例えば下記式（２９）の範囲内となる。所望の光像から複素振幅分布を求める際には、ホログラム生成の計算時に一般的に用いられるＧＳ法のような繰り返しアルゴリズムを適用することによって、ビームパターンの再現性を向上させることが可能である。
【数29】
【0069】
この第２の形態においては、位相変調層１５の異屈折率領域１５ｂの距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布を決定することにより、所望の光出射形状（集光点の数、位置など）を得ることができる。前述の第１の形態と同様の第１～第４の前提条件の下、位相変調層１５は、以下の条件を満たすよう構成される。すなわち、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から対応する異屈折率領域１５ｂの重心Ｇまでの距離ｒ（ｘ，ｙ）が、
ｒ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×（φ（ｘ，ｙ）－φ0）
Ｃ：比例定数で例えばＲ0／π
φ0：任意の定数であって例えば０
となる関係を満たすように、対応する異屈折率領域１５ｂが単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に配置される。所望の光出射形状を得たい場合、当該光出射形状を逆フーリエ変換して、その複素振幅の位相φ（ｘ，ｙ）に応じた距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布を複数の異屈折率領域１５ｂに与えるとよい。位相φ（ｘ，ｙ）と距離ｒ（ｘ，ｙ）とは、互いに比例してもよい。
ｒ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×（φ（ｘ，ｙ）－φ0）
Ｃ：比例定数で例えばＲ0／π
φ0：任意の定数であって例えば０
となる関係を満たすように、対応する異屈折率領域１５ｂが単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に配置される。所望の光出射形状を得たい場合、当該光出射形状を逆フーリエ変換して、その複素振幅の位相φ（ｘ，ｙ）に応じた距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布を複数の異屈折率領域１５ｂに与えるとよい。位相φ（ｘ，ｙ）と距離ｒ（ｘ，ｙ）とは、互いに比例してもよい。
【0070】
この第２の形態においても、前述した第１の形態と同様に、仮想的な正方格子の格子間隔ａと活性層１２の発光波長λとがＭ点発振の条件を満たす。さらに、位相変調層１５において逆格子空間を考えるとき、距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布による波数拡がりをそれぞれ含む４方向の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のうち少なくとも１つの大きさは、２π／λすなわちライトラインＬＬよりも小さい。
【0071】
この第２の形態においても、Ｍ点で発振する発光デバイスにおいて次のような工夫を位相変調層１５に施すことにより、０次光をライトラインＬＬ内に出力させずに、＋１次光及び－１次光の一部を出力する。具体的には、図１１に示したように、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４に対してある一定の大きさ及び向きを有する回折ベクトルＶ１を加えることにより、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のうち少なくとも１つの大きさを、２π／λよりも小さくする。すなわち、回折ベクトルＶ１が加えられた後の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のうち少なくとも１つを半径２π／λの円状領域であるライトラインＬＬ内に収める。前述した数式（１９）を満たす回折ベクトルＶ１を加えることにより、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のいずれかがライトラインＬＬ内に収まり、＋１次光及び－１次光の一部が出力される。
【0072】
或いは、図１４に示したように、４方向の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４から波数拡がりΔｋを除いたもの（すなわちＭ点発振の正方格子ＰＣＳＥＬにおける４方向の面内波数ベクトル）に対して回折ベクトルＶ１を加えることにより、４方向の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のうち、少なくとも１つの大きさを２π／λから波数拡がりΔｋを差し引いた値｛（２π／λ）－Δｋ｝より小さくしてもよい。すなわち、前述した数式（２８）を満たす回折ベクトルＶ１を加えることにより、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のいずれかが領域ＬＬ２内に収まり、＋１次光及び－１次光の一部が出力される。
【0073】
ここで、発光デバイス１から光を集光させつつ出射するための、位相変調層１５の設計について詳細に説明する。
【0074】
［単一集光点型（Ａ）］
まず、発光デバイス１自身により単一の集光点Ｕを形成するための位相変調層１５の設計について説明する。この場合、所望の出射光形状を得る為の位相分布φ１（ｘ，ｙ）として、出射光を集光するためのレンズ要素を含む位相分布、すなわちレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を設定する。図１７は、レンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）の例を示す図である。同図において、位相の大きさは色の濃淡によって表現されており、色が濃いほど０（ｒａｄ）に近く、色が淡いほど２π（ｒａｄ）に近い。この例では、位相変調層１５の中心から離れるほど位相が小さくなっており、このレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）は、出射光に対して凸レンズ要素として作用することができる。なお、このレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）は、数式（３０）により表される。但し、λは位相変調層１５における媒質中の波長であり、（ｘ，ｙ）は面内の格子点位置であり、ｆは焦点距離である。焦点距離ｆの符号は＋及び－のいずれであってもよい。焦点距離ｆの符号が＋である場合に凹レンズとなり、－である場合に凸レンズとなる。
まず、発光デバイス１自身により単一の集光点Ｕを形成するための位相変調層１５の設計について説明する。この場合、所望の出射光形状を得る為の位相分布φ１（ｘ，ｙ）として、出射光を集光するためのレンズ要素を含む位相分布、すなわちレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を設定する。図１７は、レンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）の例を示す図である。同図において、位相の大きさは色の濃淡によって表現されており、色が濃いほど０（ｒａｄ）に近く、色が淡いほど２π（ｒａｄ）に近い。この例では、位相変調層１５の中心から離れるほど位相が小さくなっており、このレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）は、出射光に対して凸レンズ要素として作用することができる。なお、このレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）は、数式（３０）により表される。但し、λは位相変調層１５における媒質中の波長であり、（ｘ，ｙ）は面内の格子点位置であり、ｆは焦点距離である。焦点距離ｆの符号は＋及び－のいずれであってもよい。焦点距離ｆの符号が＋である場合に凹レンズとなり、－である場合に凸レンズとなる。
【数30】
【0075】
図１８は、レンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を部分的に拡大して示す図である。このレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を局所的に見ると、図１３と同様に、一見すると、第１の位相値と、第１の位相値とは異なる値の第２の位相値とが市松模様に配列されている。例えばこのようなレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）によって、前述した回折ベクトルＶ１を面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４に加えることができる。なお、位相変調層１５の各部分の位相値は、各部分に含まれる第１及び第２の位相値の平均値の和として得られる。
【0076】
図１９及び図２０は、本実施形態の発光デバイス１を試作し、対物レンズをＺ方向に移動させながら近視野像を撮像した実験の結果を示す図である。この実験では、対物レンズの移動間隔を１００μｍとし、光出射面のＺ軸座標をｚ＝０ｍｍとした。また、試作した発光デバイス１の発光波長λを９４０ｎｍとし、格子間隔ａを２０２ｎｍとし、格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの長さｒを０．０８ａとし、焦点距離ｆを０．３２ｍｍとした。図１９はレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を凸レンズとした場合を示し、図２０はレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を凹レンズとした場合を示す。図２１は、比較のため、位相変調層１５を備えない通常の発光デバイス（ＬＥＤ）を作製し、同様に近視野像を撮像した結果を示す図である。これらの図１９～図２１では、光強度を色の濃淡で表しており、色が淡いほど光強度が大きい。
【0077】
図１９及び図２０を参照すると、本実施形態の発光デバイス１では、光出射面から０．３ｍｍの位置において出射光が収束したことがわかる。また、図２１に示すように、通常の発光デバイスでは、光出射面（ｚ＝０ｍｍ）において近視野像が明瞭となり、光出射面から離れると近視野像が不明瞭となった。このように、本実施形態の発光デバイス１によれば、光を集光しつつ出射することができる。
【0078】
また、この実験によれば、光出射面から－０．３ｍｍ（すなわち発光デバイス１の光出射面とは反対側）の位置においても出射光が収束した。その理由は、次のように考えられる。すなわち、図２２に示すように、発光デバイス１の位相変調層１５からは、互いに対称な方向に＋１次光Ｌａ及び－１次光Ｌｂが出射する。レンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を凸レンズとした場合（図１９）には、位相変調層１５から或る距離（図１９の例では０．３ｍｍ）の集光点Ｕにおいて＋１次光Ｌａが収束し、位相変調層１５から反対側の或る距離（図１９の例では－０．３ｍｍ）の集光点ＵＤにおいて虚像としての－１次光Ｌｂが収束する。逆に、レンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を凹レンズとした場合（図２０）には、位相変調層１５から或る距離（図２０の例では０．３ｍｍ）の集光点Ｕにおいて－１次光Ｌｂが収束し、位相変調層１５から反対側の或る距離（図２０の例では－０．３ｍｍ）の集光点ＵＤにおいて＋１次光Ｌａが収束する。
【0079】
［単一集光点型（Ｂ）］
次に、単一の発光デバイス１自身により単一の集光点Ｕを形成するための位相変調層１５の設計の他の一つについて説明する。上述したように、図１３に示した市松模様の位相分布φ２（ｘ，ｙ）によれば、回折ベクトルＶ１がＶ１＝（±π／ａ，±π／ａ）となり、回折ベクトルＶ１と図１０の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のいずれか一つとが、丁度相殺される。したがって、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のいずれか一つが零ベクトルとなり、＋１次光と－１次光との対称軸が、Ｚ方向、すなわち位相変調層１５の面内方向に対して垂直な方向に一致する。
次に、単一の発光デバイス１自身により単一の集光点Ｕを形成するための位相変調層１５の設計の他の一つについて説明する。上述したように、図１３に示した市松模様の位相分布φ２（ｘ，ｙ）によれば、回折ベクトルＶ１がＶ１＝（±π／ａ，±π／ａ）となり、回折ベクトルＶ１と図１０の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のいずれか一つとが、丁度相殺される。したがって、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のいずれか一つが零ベクトルとなり、＋１次光と－１次光との対称軸が、Ｚ方向、すなわち位相変調層１５の面内方向に対して垂直な方向に一致する。
【0080】
単一集光点型の設計の一つでは、上記の回折ベクトルＶ１を変更することにより、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４の長さをいずれも０より大きくして（すなわち面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４を非零ベクトルとして）、＋１次光と－１次光との対称軸をＺ方向から傾斜させる。言い換えると、発光デバイス１から出力される光像の中心位置を、発光デバイス１の光出射面の中心を通りＺ方向に延在する軸線に対して離間させる。このような回折ベクトルＶ１は、上記の回折ベクトルＶ１＝（±π／ａ，±π／ａ）に対して、非零ベクトル（ｄＶｘ，ｄＶｙ）を加えることにより得られる。すなわち、回折ベクトルＶ１をＶ１＝±（π／ａ）（１＋ｄＶｘ，１＋ｄＶｙ）とする。この場合、レンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を含む位相分布φ（ｘ，ｙ）は下記のように表される。
【数31】
【0081】
非零ベクトル（ｄＶｘ，ｄＶｙ）に相当する位相分布の成分は、レンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）とともに、位相分布φ（ｘ，ｙ）において出射光を１つの集光点Ｕに集光するための要素を構成する。＋１次光と－１次光との対称軸がＺ方向から傾斜する場合であっても、＋１次光及び－１次光が共に、発光デバイス１の光出射面側において同じ位置に集光点Ｕを形成する。故に、この設計によれば、１つの集光点Ｕを好適に形成することができる。
【0082】
図２３は、レンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）と、非零ベクトル（ｄＶｘ，ｄＶｙ）に相当する成分とを含む位相分布φ（ｘ，ｙ）の例を示す図である。同図において、位相の大きさは色の濃淡によって表現されており、色が濃いほど０（ｒａｄ）に近く、色が淡いほど２π（ｒａｄ）に近い。
【0083】
［複数集光点型］
続いて、単一の発光デバイス１自身により複数の集光点Ｕを形成するための位相変調層１５の設計の一つについて説明する。この設計では、出射光Ｌｏｕｔを少なくとも２つの点に向けて出射するためのホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）と、出射光Ｌｏｕｔを集光するためのレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）とを合成する。そして、合成して得られた位相分布を、出射光を少なくとも２つの集光点Ｕに集光するための要素として位相分布φ１（ｘ，ｙ）に含める。その後、この位相分布φ１（ｘ，ｙ）と、回折ベクトルＶ１のための位相分布φ２（ｘ，ｙ）との和を算出して最終的な位相分布φ（ｘ，ｙ）とする。位相分布φ１（ｘ，ｙ）は、ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）とレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）とを合成して得られた位相分布のみから成ってもよい。なお、ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）は本開示における第１の位相分布に対応し、レンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）は本開示における第２の位相分布に対応する。
続いて、単一の発光デバイス１自身により複数の集光点Ｕを形成するための位相変調層１５の設計の一つについて説明する。この設計では、出射光Ｌｏｕｔを少なくとも２つの点に向けて出射するためのホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）と、出射光Ｌｏｕｔを集光するためのレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）とを合成する。そして、合成して得られた位相分布を、出射光を少なくとも２つの集光点Ｕに集光するための要素として位相分布φ１（ｘ，ｙ）に含める。その後、この位相分布φ１（ｘ，ｙ）と、回折ベクトルＶ１のための位相分布φ２（ｘ，ｙ）との和を算出して最終的な位相分布φ（ｘ，ｙ）とする。位相分布φ１（ｘ，ｙ）は、ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）とレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）とを合成して得られた位相分布のみから成ってもよい。なお、ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）は本開示における第１の位相分布に対応し、レンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）は本開示における第２の位相分布に対応する。
【0084】
ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）は、上記少なくとも２つの点を、発光デバイス１の光出射面の中心を通りＺ方向に延在する軸線から離れた位置に形成する。言い換えると、ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）は、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４を非零ベクトルとする位相分布であって、互いに異なる２点以上に向けて光を出射するためのホログラムを形成する。
【0085】
少なくとも２つの集光点Ｕが、ｚ軸に垂直な同一の架空平面上に位置する場合、ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）とレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）とを合成する方法の一例としては、各ｚ座標においてホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）の位相値とレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）の位相値との和φＨ（ｘ，ｙ）＋φＬ（ｘ，ｙ）をとる方法がある。また、少なくとも２つの集光点Ｕが、それぞれｚ軸に垂直であって互いにｚ座標が異なる複数の架空平面上に分かれて位置する場合、ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）とレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）とを合成する方法としては、例えば下記の各方法がある。下記の各方法では、ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）の位相値とレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）の位相値との和φＨ（ｘ，ｙ）＋φＬ（ｘ，ｙ）である合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）～φｓｎ（ｘ，ｙ）（ｎは架空平面の枚数）を架空平面毎にまず算出する。その後に、合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）～φｓｎ（ｘ，ｙ）を相互に合成する。合成した位相分布を、出射光を少なくとも２つの集光点Ｕに集光するための要素として、位相分布φ１（ｘ，ｙ）に含める。
【0086】
一つは、合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）～φｓｎ（ｘ，ｙ）のそれぞれを実部と虚部とに分け、実部及び虚部のそれぞれにおいて位相合成する方法である（以下、第１の方法という）。この方法の概念図を図２４に示す（但し、図２４にはｎ＝２の場合を示す）。まず、下記のように、合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）～φｓｎ（ｘ，ｙ）のそれぞれを実部と虚部とに分ける（図中の処理Ｂ１，Ｂ２）。
ｅｘｐ（ｊ・φｓ１）＝ｃｏｓ（φｓ１）＋ｊ・ｓｉｎ（φｓ１）
ｅｘｐ（ｊ・φｓ２）＝ｃｏｓ（φｓ２）＋ｊ・ｓｉｎ（φｓ２）
・
・
・
ｅｘｐ（ｊ・φｓｎ）＝ｃｏｓ（φｓｎ）＋ｊ・ｓｉｎ（φｓｎ）
次に、合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）～φｓｎ（ｘ，ｙ）の実部同士、及び虚部同士を、下記のようにそれぞれ加算する（図中の処理Ｂ３，Ｂ４）。
実部Ｒｅ＝ｃｏｓ（φｓ１）＋ｃｏｓ（φｓ２）＋…＋ｃｏｓ（φｓｎ）
虚部Ｉｍ＝ｓｉｎ（φｓ１）＋ｓｉｎ（φｓ２）＋…＋ｓｉｎ（φｓｎ）
そして、これらの実部Ｒｅ及び虚部Ｉｍを、下記のように極形式にて記述する（図中の処理Ｂ５）。
Ｒｅ＋ｊ・Ｉｍ＝Ａ・ｅｘｐ（ｊ・φ１）（Ａ：振幅、φ：偏角）
以上の計算により、各座標（ｘ，ｙ）における合成位相φ１、すなわち少なくとも２つの集光点Ｕに集光するための位相分布φ１（ｘ，ｙ）が得られる（図中の処理Ｂ６）。
ｅｘｐ（ｊ・φｓ１）＝ｃｏｓ（φｓ１）＋ｊ・ｓｉｎ（φｓ１）
ｅｘｐ（ｊ・φｓ２）＝ｃｏｓ（φｓ２）＋ｊ・ｓｉｎ（φｓ２）
・
・
・
ｅｘｐ（ｊ・φｓｎ）＝ｃｏｓ（φｓｎ）＋ｊ・ｓｉｎ（φｓｎ）
次に、合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）～φｓｎ（ｘ，ｙ）の実部同士、及び虚部同士を、下記のようにそれぞれ加算する（図中の処理Ｂ３，Ｂ４）。
実部Ｒｅ＝ｃｏｓ（φｓ１）＋ｃｏｓ（φｓ２）＋…＋ｃｏｓ（φｓｎ）
虚部Ｉｍ＝ｓｉｎ（φｓ１）＋ｓｉｎ（φｓ２）＋…＋ｓｉｎ（φｓｎ）
そして、これらの実部Ｒｅ及び虚部Ｉｍを、下記のように極形式にて記述する（図中の処理Ｂ５）。
Ｒｅ＋ｊ・Ｉｍ＝Ａ・ｅｘｐ（ｊ・φ１）（Ａ：振幅、φ：偏角）
以上の計算により、各座標（ｘ，ｙ）における合成位相φ１、すなわち少なくとも２つの集光点Ｕに集光するための位相分布φ１（ｘ，ｙ）が得られる（図中の処理Ｂ６）。
【0087】
他の一つは、合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）～φｓｎ（ｘ，ｙ）の平均値を位相分布φ１（ｘ，ｙ）とする方法である（以下、第２の方法という）。すなわち、座標（ｘ，ｙ）における位相分布φ１（ｘ，ｙ）を、（φｓ１＋φｓ２＋…＋φｓｎ）／ｎとして算出する。
【0088】
更に他の一つは、各合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）～φｓｎ（ｘ，ｙ）から位相値を二次元的にランダムに選択し、選択した位相値を重畳させる方法である（以下、第３の方法という）。この方法では、各座標（ｘ，ｙ）において、合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）～φｓｎ（ｘ，ｙ）のうち一つのみから位相値を選択し、二以上の合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）～φｓｎ（ｘ，ｙ）の位相値が重ならないようにする。図２５は、この方法に用いられるランダムパターンの例を示す図である。但し、図２５ではｎ＝２の場合を想定している。図２５（ａ）は合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）に適用されるランダムパターン５０Ａを示し、図２５（ｂ）は合成位相分布φｓ２（ｘ，ｙ）に適用されるランダムパターン５０Ｂを示す。これらのランダムパターン５０Ａ，５０Ｂは、ｘ方向およびｙ方向に沿って二次元状に配列された複数の領域５１を有し、これらの領域５１は位相分布の各位相値と一対一で対応している。図において、複数の領域５１は黒色及び白色に塗り分けられているが、ここでは白色の領域を位相値が選択される領域５２（以下、選択領域）とし、黒色の領域を位相値が選択されない領域５３（以下、非選択領域）とする。すなわち、合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）の中からランダムパターン５０Ａの選択領域５２に対応する座標（ｘ，ｙ）の位相値が選択され、合成位相分布φｓ２（ｘ，ｙ）の中からランダムパターン５０Ｂの選択領域５２に対応する座標（ｘ，ｙ）の位相値が選択される。ランダムパターン５０Ａとランダムパターン５０Ｂとを比較すると、ランダムパターン５０Ａの選択領域５２と、ランダムパターン５０Ｂの選択領域５２とが相補的に分布している。すなわち、ランダムパターン５０Ａにおける選択領域５２はランダムパターン５０Ｂにおいて必ず非選択領域５３であり、ランダムパターン５０Ａにおける非選択領域５３はランダムパターン５０Ｂにおいて必ず選択領域５２である。そして、選択領域５２は、ｘｙ平面において二次元的にランダムに分布している。ランダムパターン５０Ａにおける選択領域５２の個数（すなわち、合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）から選択される位相値の個数）と、ランダムパターン５０Ｂにおける選択領域５２の個数（すなわち、合成位相分布φｓ２（ｘ，ｙ）から選択される位相値の個数）とは、互いに等しくてもよく、僅かに異なってもよい。
【0089】
上述したランダムパターン５０Ａ，５０Ｂの作成方法としては、例えば、０～１の乱数から各領域に値を割り当て、その値が０以上１／２未満である領域をランダムパターン５０Ａの選択領域５２とし、１／２以上１以下である領域をランダムパターン５０Ｂの選択領域５２などとして定義するとよい。なお、乱数分布の作成には、例えば数値計算ソフトであるＭＡＴＬＡＢ（登録商標）のＲａｎｄ関数などを利用できる。
【0090】
上記の図２５ではｎ＝２の場合を想定したが、ｎは３以上であってもよい。ｎ＝３の場合、合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）に対応するランダムパターンの選択領域５２と、合成位相分布φｓ２（ｘ，ｙ）に対応するランダムパターンの選択領域５２と、合成位相分布φｓ３（ｘ，ｙ）に対応するランダムパターンの選択領域５２とが、相補的に分布する。すなわち、合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）に対応するランダムパターンにおける選択領域５２は、他の合成位相分布φｓ２（ｘ，ｙ）及びφｓ３（ｘ，ｙ）に対応する各ランダムパターンにおいて必ず非選択領域５３であり、合成位相分布φｓ２（ｘ，ｙ）に対応するランダムパターンにおける選択領域５２は、他の合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）及びφｓ３（ｘ，ｙ）に対応する各ランダムパターンにおいて必ず非選択領域５３であり、合成位相分布φｓ３（ｘ，ｙ）に対応するランダムパターンにおける選択領域５２は、他の合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）及びφｓ２（ｘ，ｙ）に対応する各ランダムパターンにおいて必ず非選択領域５３である。このようなランダムパターンの作成方法としては、例えば、０～１の乱数から各領域に値を割り当て、その値が０以上１／３未満である領域を合成位相分布φｓ１（ｘ，ｙ）に対応するランダムパターンの選択領域５２とし、１／３以上２／３未満である領域を合成位相分布φｓ２（ｘ，ｙ）に対応するランダムパターンの選択領域５２とし、２／３以上１以下である領域を合成位相分布φｓ３（ｘ，ｙ）に対応するランダムパターンの選択領域５２などとして定義するとよい。ｎが４以上である場合も、上記の方法と同様の方法によってランダムパターンを作成可能である。
【0091】
上記の各方法によれば、ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）によって＋１次光を少なくとも２点に向けて出射できるので、＋１次光のみを用いて少なくとも２つの集光点Ｕを形成することができる。
【0092】
ここで、２点集光型の発光デバイス１を試作し、対物レンズをＺ方向に移動させながら近視野像を撮像した実験の結果を示す。図２６は、集光点Ｕの位置を示す図である。この実験では、図２６（ａ）に示すように、一つの集光点Ｕを、光出射面からの距離ｚが１ｍｍであり、且つ、発光デバイス１の光出射面の中心を通りＺ方向に延在する軸線から＋Ｙ方向に所定距離だけ離れた位置に形成した。また、図２６（ｂ）に示すように、他の一つの集光点Ｕを、光出射面からの距離ｚが２ｍｍであり、且つ、発光デバイス１の光出射面の中心を通りＺ方向に延在する軸線から－Ｙ方向に所定距離だけ離れた位置に形成した。この実験では、対物レンズの移動間隔を１００μｍ～１０００μｍとし、光出射面のＺ軸座標をｚ＝０ｍｍとした。また、試作した発光デバイス１の発光波長λ、格子間隔ａ、及び格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの長さｒを図１９～図２１と同様とした。
【0093】
図２７～図２９は、この実験において作製した発光デバイス１の近視野像を示す。図２７は、上述した第２の方法により発光デバイス１を作製した場合の近視野像を示す。図２８は、上述した第１の方法（図２４を参照）により発光デバイス１を作製した場合の近視野像を示す。図２９は、上述した第３の方法により発光デバイス１を作製した場合の近視野像を示す。なお、これらの図２７～図２９では、光強度を色の濃淡で表しており、色が淡いほど光強度が大きい。
【0094】
図２７～図２９を参照すると、いずれの方法においても、ｚ＝１ｍｍ、及びｚ＝２ｍｍの各位置において、図２６に示された集光点Ｕが現れていることがわかる。但し、図２７を参照すると、中央付近に略正方形のノイズが確認される。この略正方形のノイズの大きさは、図２７に示される範囲においてデフォーカスの距離ｚを変化させても大きく変わらない。したがって、レンズ位相による集光作用が及ばない近視野像であるデフォーカス像と考えられる。なお、図２１に示された発光素子（ＬＥＤ）のデフォーカス像の拡がりと比べて、図２７に示されるデフォーカス像の拡がりは小さい。これは、波長に対して相対的に大きな面積でレーザ発振していることに因る。このため、図２７に示されるデフォーカス像においては、回折拡がりが少なく、鋭い輝点が面垂直方向に見られた。故に、略正方形のノイズは、面内共振する定在波が回折ベクトルＶ１の作用により面垂直方向に回折した光、すなわち、ホログラム位相とレンズ位相との合成位相による位相変調作用を受けていない光成分と考えられる。したがって、第１の方法または第３の方法のいずれかにより発光デバイス１を作製することがより好ましい。
【0095】
次に、複数集光型の別の発光デバイス１を試作し、対物レンズをＺ方向に移動させながら近視野像を撮像した実験の結果を示す。図３０は、集光点Ｕの位置を示す図である。この実験では、図３０（ａ）に示すように、多数の集光点Ｕを、光出射面からの距離ｚが１ｍｍであり、且つ、発光デバイス１の光出射面の中心を通りＺ方向に延在する軸線を跨いでＸ方向に沿って配列した。また、図３０（ｂ）に示すように、他の多数の集光点Ｕを、光出射面からの距離ｚが２ｍｍであり、且つ、発光デバイス１の光出射面の中心を通りＺ方向に延在する軸線を跨いでＹ方向に沿って配列した。この実験では、対物レンズの移動間隔を２５０μｍとし、光出射面のＺ軸座標をｚ＝０ｍｍとした。また、試作した発光デバイス１の発光波長λ、格子間隔ａ、及び格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの長さｒを図１９～図２１と同様とした。
【0096】
図３１～図３３は、この実験において作製した発光デバイス１の近視野像を示す。図３１は、上述した第２の方法により発光デバイス１を作製した場合の近視野像を示す。図３２は、上述した第１の方法（図２４を参照）により発光デバイス１を作製した場合の近視野像を示す。図３３は、上述した第３の方法により発光デバイス１を作製した場合の近視野像を示す。なお、これらの図３１～図３３においても、光強度を色の濃淡で表しており、色が淡いほど光強度が大きい。
【0097】
図３１～図３３を参照すると、いずれの方法においても、ｚ＝１ｍｍ、及びｚ＝２ｍｍの各位置において、図３０に示された集光点Ｕが現れていることがわかる。但し、図３１を参照すると、中央付近に略正方形のノイズが確認される。この略正方形のノイズは、前述した図２７において示された略正方形のノイズと同様の作用によるものと考えられる。したがって、第１の方法または第３の方法のいずれかにより発光デバイス１を作製することがより好ましい。
【0098】
なお、上記の各実験においても、前述した図１９～図２１と同様に、光出射面から－１．０ｍｍ及び－２．０ｍｍの位置に集光点が現れている。その理由は、実像としての＋１次光（または－１次光）がｚ＞０の領域で収束するのに対し、虚像としての－１次光（または＋１次光）がｚ＜０の領域で収束することによる。
【0099】
以上に説明した本実施形態の発光デバイス１によって得られる効果について説明する。この発光デバイス１では、複数の異屈折率領域１５ｂの各重心Ｇが、仮想的な正方格子の対応する格子点Ｏから離れて配置され、該格子点Ｏ周りに所定の位相分布φ（ｘ，ｙ）に応じた個別の回転角度αを有するか、または、仮想的な正方格子の格子点Ｏを通り正方格子に対して傾斜する直線Ｄ上に配置され、各異屈折率領域１５ｂの重心Ｇと、各異屈折率領域１５ｂに対応する格子点Ｏとの距離ｒが、所定の位相分布φ（ｘ，ｙ）に応じて個別に設定されている。このような構造によれば、Ｓ－ｉＰＭレーザとして、任意形状の光像を生成することができる。
【0100】
加えて、この発光デバイス１では、仮想的な正方格子の格子間隔ａと、活性層１２の発光波長λとが、Ｍ点発振の条件を満たす。前述したように、通常、Ｍ点発振の定在波状態においては位相変調層１５内を伝搬する光が全反射してしまい、信号光（例えば＋１次光及び－１次光のうち少なくとも一方）及び０次光の双方の出力が抑制される。しかしながら、この発光デバイス１では、位相変調層１５の逆格子空間上において、定在波は位相分布φ（ｘ，ｙ）による位相変調を受け、出射光の角度広がりに対応した波数拡がりをそれぞれ含む４方向の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４を形成する。そして、これらの面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のうち少なくとも１つの大きさが２π／λ、すなわちライトラインＬＬよりも小さくなっている。Ｓ－ｉＰＭレーザでは、各異屈折率領域１５ｂの配置を工夫することにより、このような面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４の調整が可能である。そして、少なくとも１つの面内波数ベクトルの大きさが２π／λよりも小さい場合、その面内波数ベクトルは、位相変調層１５の厚さ方向（Ｚ方向）の成分を有するとともに、空気との界面において全反射を生じない。結果的に、信号光の一部が位相変調層１５から出力される。但し、Ｍ点発振の条件を満たす場合、０次光は空気との界面にて全反射し、位相変調層１５からライトラインＬＬ内には出力されない。すなわち、本実施形態の発光デバイス１によれば、Ｓ－ｉＰＭレーザの出力に含まれる０次光をライトラインＬＬ内から取り除き、信号光のみを出力することができる。
【0101】
加えて、発光デバイス１では、位相分布φ（ｘ，ｙ）が、出射光Ｌｏｕｔを集光するための要素を含む。これにより、発光デバイス１は、光を集光しつつ出力することができる。また、上述したように、発光デバイス１では、集光に寄与しない０次光の出力が抑制されているので、集光に寄与し得る信号光のみを出力することができる。このように、発光デバイス１によれば、発光デバイス１自身により集光が可能となるので、集光のための光学部品を削減し、光源装置を小型化することができる。
【0102】
位相分布φ（ｘ，ｙ）に含まれる出射光Ｌｏｕｔを集光するための要素は、出射光Ｌｏｕｔを少なくとも２つの集光点Ｕに集光するための要素であってもよい。前述したように、発光デバイス１によれば、位相分布φ（ｘ，ｙ）に含まれる集光のための要素を適宜設計することにより、一つの発光デバイス１から少なくとも２つの集光点Ｕに出射光Ｌｏｕｔを集光することも可能である。故に、光源装置を更に小型化できる。
【0103】
位相分布φ（ｘ，ｙ）に含まれる出射光Ｌｏｕｔを集光するための要素は、４方向の面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４の大きさをいずれも０より大きくする（すなわち面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４を非零ベクトルとする）ための要素であってもよい。例えばこのような要素によって、出射光Ｌｏｕｔを単一の集光点Ｕに集光することができる。
【0104】
位相分布φ（ｘ，ｙ）は、出射光Ｌｏｕｔを少なくとも２つの点に向けて出射するためのホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）と、出射光Ｌｏｕｔを集光するためのレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）とを合成して得られる位相分布を、上記要素として含んでもよい。例えばこのような要素によって、出射光Ｌｏｕｔを少なくとも２つの集光点Ｕに集光することができる。
【0105】
図６の（ａ）部に示したように、少なくとも２つの集光点Ｕは、厚さ方向（Ｚ方向）と交差する方向に並んでもよい。この場合、例えば各集光点Ｕからの光を互いに干渉させる等の用途に発光デバイス１を用いることができる。
【0106】
図６の（ｂ）部に示したように、位相分布φ（ｘ，ｙ）の要素は、出射光Ｌｏｕｔを少なくとも４つの集光点Ｕに集光するための要素であり、少なくとも４つの集光点Ｕは３次元的に分布してもよい。この場合、例えば３次元的（立体的）な光像の作成等の用途に発光デバイス１を用いることができる。
【0107】
（第２実施形態）
図３４は、第２実施形態に係る三次元計測システム１０１の構成を示す模式図である。同図に示すように、三次元計測システム１０１は、光源装置１０２と、複数（例えば一対）の撮像部１０３と、計測部１０４とを含んで構成されている。光源装置１０２は、第１実施形態の発光デバイス１を一個又は複数個含んで構成されている。光源装置１０２から出射される計測光１０５は、ステージ１０６上に載置された被計測物ＳＡの表面の一定の領域に照射される。ステージ１０６は、２次元方向又は３次元方向に走査可能な走査ステージであってもよい。なお、計測光１０５の照射範囲が被計測物ＳＡの測定範囲に対して十分に広い場合、ステージ１０６の配置を省略してもよい。
図３４は、第２実施形態に係る三次元計測システム１０１の構成を示す模式図である。同図に示すように、三次元計測システム１０１は、光源装置１０２と、複数（例えば一対）の撮像部１０３と、計測部１０４とを含んで構成されている。光源装置１０２は、第１実施形態の発光デバイス１を一個又は複数個含んで構成されている。光源装置１０２から出射される計測光１０５は、ステージ１０６上に載置された被計測物ＳＡの表面の一定の領域に照射される。ステージ１０６は、２次元方向又は３次元方向に走査可能な走査ステージであってもよい。なお、計測光１０５の照射範囲が被計測物ＳＡの測定範囲に対して十分に広い場合、ステージ１０６の配置を省略してもよい。
【0108】
図３５は、光源装置１０２の構成の一例として、光源装置１０２Ａを模式的に示す図である。同図に示すように、この光源装置１０２Ａは、一つの発光デバイス１Ａと、光学系１１０とを備える。光学系１１０は、発光デバイス１Ａの光出射面と光学的に結合されている。一例では、光学系１１０の光軸は、発光デバイス１Ａの光出射面の中心を通りＺ方向（図１を参照）に沿って延在する軸線ＡＸ１と一致する。光学系１１０は、集光作用を有するレンズであって、例えば凸レンズである。
【0109】
発光デバイス１Ａは、第１実施形態の発光デバイス１であって、発光デバイス１と光学系１１０との間に位置する２つの集光点Ｕ１，Ｕ２を形成する。すなわち、発光デバイス１Ａの位相変調層１５の位相分布φ（ｘ，ｙ）に含まれる、出射光を集光するための要素は、第１実施形態において説明した複数集光点型の構成を有する。この要素は、発光デバイス１Ａから出力される出射光Ｌｏｕｔ１を集光点Ｕ１に集光し、発光デバイス１Ａから出力される出射光Ｌｏｕｔ２を集光点Ｕ２に集光する。集光点Ｕ１，Ｕ２は、軸線ＡＸ１に対して交差（例えば直交）する方向に並んで形成される。また、軸線ＡＸ１から集光点Ｕ１までの距離と、軸線ＡＸ１から集光点Ｕ２までの距離とは互いに等しい。言い換えると、集光点Ｕ１，Ｕ２は、軸線ＡＸ１に関して対称な位置に形成されている。出射光Ｌｏｕｔ１は本開示における第１の出射光に対応し、出射光Ｌｏｕｔ２は本開示における第２の出射光に対応する。集光点Ｕ１は本開示における第１の集光点に対応し、集光点Ｕ２は本開示における第２の集光点に対応する。
【0110】
図３６は、光源装置１０２の構成の別の例として、光源装置１０２Ｂを模式的に示す図である。同図に示すように、この光源装置１０２Ｂは、２つの発光デバイス１Ｂ，１Ｃと、光学系１１０とを備える。発光デバイス１Ｂ，１Ｃの光出射面の法線は互いに平行であり、共通の平面内に位置する。発光デバイス１Ｂは本開示における第１の発光デバイスに対応し、発光デバイス１Ｃは本開示における第２の発光デバイスに対応する。
【0111】
光学系１１０は、２つの発光デバイス１Ｂ，１Ｃに対して共通に設けられ、発光デバイス１Ｂ，１Ｃの光出射面と光学的に結合されている。一例では、光学系１１０の光軸は、発光デバイス１Ｂ，１Ｃの中間点を通りＺ方向（図１を参照）に沿って延在する軸線ＡＸ２と一致する。光学系１１０は、集光作用を有するレンズであって、例えば凸レンズである。
【0112】
発光デバイス１Ｂ，１Ｃは、第１実施形態の発光デバイス１である。発光デバイス１Ｂ，１Ｃの位相変調層１５の位相分布φ（ｘ，ｙ）に含まれる、出射光を集光するための要素は、第１実施形態において説明した単一集光点型の構成を有する。発光デバイス１Ｂの該要素は、発光デバイス１Ｂから出力される出射光Ｌｏｕｔ１を、発光デバイス１Ｂと光学系１１０との間に位置する集光点Ｕ１に集光する。発光デバイス１Ｃの該要素は、発光デバイス１Ｃから出力される出射光Ｌｏｕｔ２を、発光デバイス１Ｃと光学系１１０との間に位置する集光点Ｕ２に集光する。集光点Ｕ１，Ｕ２の形成位置は、図３５に示した例と同様である。
【0113】
図３５及び図３６において、集光点Ｕ１を通過した出射光Ｌｏｕｔ１、及び集光点Ｕ２を通過した出射光Ｌｏｕｔ２は、光学系１１０を通過する。光学系１１０は、出射光Ｌｏｕｔ１及びＬｏｕｔ２をそれぞれ結像面１１５に結像させるとともに、結像面１１５において出射光Ｌｏｕｔ１とＬｏｕｔ２とを相互に干渉させる。こうして生成される干渉光は、図３４に示した計測光１０５として被計測物ＳＡの表面に照射される。なお、各図では光学系１１０として単一のレンズが示されているが、光学系１１０は複数のレンズを組み合わせて構成されてもよい。
【0114】
図３７は、結像面１１５における干渉光像すなわち計測光１０５の強度変化パターンを示す図である。同図に示すように、計測光１０５のパターンは、或る方向Ａに沿って光強度が正弦波状に周期的に変化するストライプパターンＷ１である。
【0115】
再び図３４を参照する。撮像部１０３は、光源装置１０２から出射される計測光１０５に対して感度を有する装置によって構成されている。撮像部１０３としては、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ、ＣＭＯＳ（Complementary MOS）カメラ、その他の二次元イメージセンサなどを用いることができる。撮像部１０３は、計測光１０５が照射された状態の被計測物ＳＡを撮像し、撮像結果を示す出力信号を計測部１０４に出力する。
【0116】
計測部１０４は、例えばプロセッサ、メモリ等を含んで構成されるコンピュータシステムによって構成されている。計測部１０４は、各種の制御機能をプロセッサによって実行する。コンピュータシステムとしては、例えばパーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）などが挙げられる。計測部１０４は、ＰＬＣ（programmable logic controller）によって構成されていてもよく、ＦＰＧＡ（Field-programmable gate array）等の集積回路によって構成されていてもよい。
【0117】
計測部１０４は、撮像部１０３と通信可能に接続されており、撮像部１０３から入力される信号に基づいて、被計測物ＳＡの三次元形状計測を実施する。本実施形態では、計測部１０４は、正弦波状のストライプパターンＷ１を用いた位相シフト法に基づいて被計測物ＳＡの三次元形状を計測する。すなわち、正弦波の周期ＴをＮ個（Ｎは整数）に等分し、Ｔ／Ｎずつ位相がシフトされた複数の正弦波状のストライプパターンＷ１を用いて計測を行う。言い換えると、複数の正弦波状のストライプパターンＷ１の位相は、２π／Ｎずつずれている。このような位相のシフトは、例えば集光点Ｕ１，Ｕ２の位置を軸線ＡＸと交差する方向に少しずつ移動することにより実現できる。
【0118】
一例として、互いに位相がπ／２ずつずれている４つの正弦波状のストライプパターンＷ１を用いる場合を示す。４つの正弦波状のストライプパターンＷ１を有する計測光１０５の光強度をそれぞれＩ０～Ｉ３とし、撮像部１０３の画素の座標を（ｘ，ｙ）とする。被計測物ＳＡの表面での光強度Ｉ０～Ｉ３は、下記の数式（３２）～（３５）で表される。Ｉａ（ｘ，ｙ）は格子模様の振幅、Ｉｂ（ｘ，ｙ）は背景強度、θ（ｘ，ｙ）は初期位相である。
【数32】
【数33】
【数34】
【数35】
【0119】
初期位相θは、ｔａｎθ＝－（Ｉ３－Ｉ１）／（Ｉ２－Ｉ０）によって求めることができる。正弦波状のストライプパターンＷ１の位相シフト数がＮである場合、初期位相θは、下記式（３６）により求めることができる。
【数36】
【0120】
このような位相シフト法を用いる場合、計測した位相を被計測物ＳＡの高さに換算することにより、正弦波状のストライプパターンＷ１のピッチよりも小さい間隔で被計測物ＳＡの高さを計測することができる。
【0121】
本実施形態の三次元計測システム１０１が備える光源装置１０２Ａ又は１０２Ｂによれば、上述したように、集光点Ｕ１，Ｕ２に向けてそれぞれ出射された２つの出射光Ｌｏｕｔ１，Ｌｏｕｔ２による干渉縞が生成される。この干渉縞は、或る方向に沿って光強度が正弦波状に増減する光像、すなわちストライプパターンＷ１である。このようなストライプパターンＷ１は、三次元計測システム１０１において好適に用いられ得る。また、これらの光源装置１０２Ａ又は１０２Ｂが備える発光デバイス１Ａ～１Ｃは、従来の光源と比較して顕著な小型化が可能である。従って、光源装置１０２Ａ又は１０２Ｂは、極めて小さい空間にも配置されることができ、従来は不可能であったような小さな空間、例えば、口腔内や体腔内といった体内、管の内部、壁の隙間、或いは家具や装置等と床との隙間などに挿入することができる。故に、これらにおける画像診断や検査を容易にすることができる。
【0122】
本実施形態のように、光源装置１０２Ａ，１０２Ｂは、発光デバイス１Ａ～１Ｃと光学的に結合された光学系１１０を備えてもよい。そして、集光点Ｕ１，Ｕ２は発光デバイス１Ａ～１Ｃと光学系１１０との間に位置し、出射光Ｌｏｕｔ１，Ｌｏｕｔ２は、光学系１１０を通過した後に相互に干渉してもよい。この場合、ストライプパターンＷ１が照射される領域の大きさＪａ（図３５、図３６を参照）は、発光デバイス１Ａ～１Ｃによる焦点距離と、光学系１１０の光軸位置及び焦点距離とによって主に定まる。故に、発光デバイス１Ａ～１Ｃの光出射面の面積にかかわらず、ストライプパターンＷ１の照射面を自在に拡げることが可能となる。また、集光点Ｕ１，Ｕ２同士の間隔Ｊｂを任意に選択することにより、出射光Ｌｏｕｔ１，Ｌｏｕｔ２の光軸と軸線ＡＸ１またはＡＸ２との成す角度である照射角度θｐを自在に制御することができる。故に、ストライプパターンＷ１の縞間隔（強度変化の周期）を任意に変化させることができ、被計測物ＳＡの大きさに応じた適切な縞間隔を実現できる。
【0123】
図３８は、比較例に係る光源装置１０２Ｃの構成を示す模式図である。この光源装置１０２Ｃは、光源装置１０２Ｂ（図３６を参照）とは異なり、発光デバイス１Ｂ，１Ｃの位相分布φ（ｘ，ｙ）は集光のための要素を含んでおらず、平面波としての出射光ＬｏｕｔＡ，ＬｏｕｔＢをそれぞれ出射する。また、この光源装置１０２Ｃは、光学系１１０を備えていない。発光デバイス１Ｂからの出射光ＬｏｕｔＡは、軸線ＡＸ２に対して角度θａだけ傾斜した方向Ａａに出射される。発光デバイス１Ｃからの出射光ＬｏｕｔＢは、軸線ＡＸ２に対して角度－θａだけ傾斜した方向Ａｂに出射される。そして、出射光ＬｏｕｔＡ，ＬｏｕｔＢは相互に干渉し、結像面１１５において干渉縞すなわちストライプパターンＷ１（図３７を参照）を形成する。
【0124】
この光源装置１０２Ｃでは、ストライプパターンＷ１が照射される領域の大きさＪａは、各発光デバイス１Ｂ，１Ｃの光出射面の大きさによって主に定まる。そして、ストライプパターンＷ１が照射される領域の大きさＪａを、各発光デバイス１Ｂ，１Ｃの光出射面よりも大きくすることは困難である。したがって、計測可能な被計測物ＳＡの大きさが限られてしまう。
【0125】
また、ストライプパターンＷ１の縞間隔（強度変化の周期）を変化させるためには、出射光ＬｏｕｔＡ，ＬｏｕｔＢの出射方向Ａａ，Ａｂの角度θａを制御する必要がある。図３９は、角度θａを大きくした場合の様子を模式的に示す。図３９と図３８とを比較すると明らかなように、角度θａを大きくすると、ストライプパターンＷ１の照射面（結像面１１５）が発光デバイス１Ｂ，１Ｃに近づく。したがって、ストライプパターンＷ１の縞間隔を変化させるためには発光デバイス１Ｂ，１Ｃの配置をも変更する必要があり、縞間隔の制御自由度が低いという問題がある。これに対し、本実施形態の光源装置１０２Ｂでは、ストライプパターンＷ１の縞間隔を変化させるためには、集光点Ｕ１，Ｕ２の間隔及び光学系１１０の焦点距離を変更すれば足り、発光デバイス１Ｂ，１Ｃの配置を変更する必要は無い。したがって、ストライプパターンＷ１の縞間隔を簡便に変更することができる。
【0126】
上述したように、本実施形態の光源装置１０２は、Ｓ－ｉＰＭレーザの位相分布φ（ｘ，ｙ）を工夫することにより出射光Ｌｏｕｔ１，Ｌｏｕｔ２を集光させつつ出射し、相互に干渉させるものである。２つの光の相互干渉は、Ｓ－ｉＰＭレーザに限らず、例えば位相変調型の空間光変調器（Spatial Light Modulator；ＳＬＭ）を用いて光の位相を空間的に変調することでも実現できる。しかしながら、ＳＬＭを用いる方式と、ｉＰＭレーザを用いる本実施形態の方式とではその技術思想が大きく異なる。
【0127】
ＳＬＭは、そもそも光変調面と交差する方向に変調光を出力するものである。Ｓ－ｉＰＭレーザでは、＋１次光及び－１次光といった信号光がＳＬＭの変調光に相当するが、光出射面と交差する方向に信号光のみを出力するためには工夫を要する。従来よりΓ点発振のＳ－ｉＰＭレーザが研究されているが、Γ点発振のＳ－ｉＰＭレーザでは光出射面と垂直な方向に０次光が出射される。０次光は位相分布φ（ｘ，ｙ）に影響されないので、本実施形態のように光を集光しつつ出射する際には、不要な光すなわちノイズとなる。また、Ｓ－ｉＰＭレーザをＭ点発振させると、０次光が光出射面と垂直な方向に出射することを抑制できる。しかし、Ｓ－ｉＰＭレーザを単にＭ点発振させると、＋１次光及び－１次光といった信号光もまた、光出射面と交差する方向には出射されない。このような課題に対し、本実施形態では、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４に回折ベクトルＶ１を加え、面内波数ベクトルＫ１～Ｋ４のうち少なくとも１つの大きさを２π／λ（ライトライン）よりも小さくすることにより、光出射面と交差する方向に信号光が出射することを可能としている。このような工夫は、ＳＬＭを用いる方式からは容易に想起できないものである。
【0128】
また、従来より、Ｓ－ｉＰＭレーザにおいて、光出射方向（Ｚ方向）に垂直な面内における２次元ホログラムの形成は実証されているが、本実施形態の発光デバイス１は、Ｚ方向における複数の集光点の位置を互いに異ならせることにより、３次元ホログラムも可能にできる。Ｓ－ｉＰＭレーザを用いた３次元ホログラムの形成は、これまで実証されていない。
【0129】
また、ＳＬＭの位相パターンにレンズ作用を付与して変調光を集光させることは従来より行われているが、ＳＬＭでは、単純に光の位相を画素毎に変調することによりレンズ作用を実現する。これに対し、Ｓ－ｉＰＭレーザでは、位相変調層１５の内部を伝搬しながら共振状態にある平面波の位相を変調するので、集光作用を実現できるか否かは不明であった。本発明者が実際にそのようなＳ－ｉＰＭレーザを作製して実験を行うことにより、集光作用を実現可能であることが明らかとなった。
【0130】
（第１変形例）
図４０は、第１変形例に係る光源装置１０２Ｄの構成を部分的に示す模式図である。この光源装置１０２Ｄは、第２実施形態の光源装置１０２Ａ（図３５を参照）の構成に加えて、モードフィルタのためのマスク１１２を更に備える。マスク１１２は、出射光Ｌｏｕｔ１，Ｌｏｕｔ２をそれぞれ通過させる２つの光学開口１１３，１１４を有する。軸線ＡＸ１に沿った方向（すなわちＺ方向）における一方の光学開口１１３の位置は、集光点Ｕ１と重なる。同方向における他方の光学開口１１４の位置は、集光点Ｕ２と重なる。光学開口１１３の内径は、集光点Ｕ１における出射光Ｌｏｕｔ１の光径（ビームウエスト径）よりも大きい。光学開口１１４の内径は、集光点Ｕ２における出射光Ｌｏｕｔ２の光径（ビームウエスト径）よりも大きい。なお、マスク１１２を除く他の光源装置１０２Ｄの構成は、第２実施形態の光源装置１０２Ａと同じである。第２実施形態の光源装置１０２Ｂも本変形例と同様に、マスク１１２を更に備えてもよい。
図４０は、第１変形例に係る光源装置１０２Ｄの構成を部分的に示す模式図である。この光源装置１０２Ｄは、第２実施形態の光源装置１０２Ａ（図３５を参照）の構成に加えて、モードフィルタのためのマスク１１２を更に備える。マスク１１２は、出射光Ｌｏｕｔ１，Ｌｏｕｔ２をそれぞれ通過させる２つの光学開口１１３，１１４を有する。軸線ＡＸ１に沿った方向（すなわちＺ方向）における一方の光学開口１１３の位置は、集光点Ｕ１と重なる。同方向における他方の光学開口１１４の位置は、集光点Ｕ２と重なる。光学開口１１３の内径は、集光点Ｕ１における出射光Ｌｏｕｔ１の光径（ビームウエスト径）よりも大きい。光学開口１１４の内径は、集光点Ｕ２における出射光Ｌｏｕｔ２の光径（ビームウエスト径）よりも大きい。なお、マスク１１２を除く他の光源装置１０２Ｄの構成は、第２実施形態の光源装置１０２Ａと同じである。第２実施形態の光源装置１０２Ｂも本変形例と同様に、マスク１１２を更に備えてもよい。
【0131】
図４１の（ａ）部及び（ｂ）部は、マスク１１２を設けることによる効果について説明するための図である。発光デバイス１Ａ～１Ｃから出射光Ｌｏｕｔ１，Ｌｏｕｔ２が出射するとき、－１次光及び／又は裏面反射によるゴースト光ＬＧが、出射光Ｌｏｕｔ１，Ｌｏｕｔ２と同時に発光デバイス１Ａ～１Ｃから拡散しつつ出射する。ゴースト光ＬＧは、例えば出射光Ｌｏｕｔ１，Ｌｏｕｔ２とは回折次数の符号が異なる光（例えば－１次光）である。図４１の（ａ）部に示すようにマスク１１２を設けない場合、このゴースト光ＬＧが出射光Ｌｏｕｔ１，Ｌｏｕｔ２に重なり、出射光Ｌｏｕｔ１，Ｌｏｕｔ２の空間モードを乱す原因となる。これに対し、図４１の（ｂ）部に示すようにマスク１１２を設けると、出射光Ｌｏｕｔ１，Ｌｏｕｔ２のみが光学開口１１３，１１４を通過し、ゴースト光ＬＧはマスク１１２によって遮蔽される。したがって、出射光Ｌｏｕｔ１，Ｌｏｕｔ２からゴースト光ＬＧを除去することができ、出射光Ｌｏｕｔ１，Ｌｏｕｔ２のモードクリーニングを簡便に行うことができる。
【0132】
（第３実施形態）
続いて、第３実施形態について説明する。前述した各実施形態では、光を点状に集光する場合について説明した。本実施形態では、光を一方向においてのみ集光する場合について説明する。
続いて、第３実施形態について説明する。前述した各実施形態では、光を点状に集光する場合について説明した。本実施形態では、光を一方向においてのみ集光する場合について説明する。
【0133】
図４２は、光を一方向においてのみ集光するためのレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）の例を示す図である。同図において、位相の大きさは色の濃淡によって表現されており、色が濃いほど０（ｒａｄ）に近く、色が淡いほど２π（ｒａｄ）に近い。この例では、Ｙ＝０の位置からＹ方向（本実施形態における第２方向）に離れるほど位相が大きくなっており、Ｘ方向（本実施形態における第１方向）に位相は一定である。このレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）は、出射光に対して一次元（Ｙ方向）の凹レンズ要素として作用することができる。一次元のレンズ要素としてのレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）は、数式（３７）により表される。但し、λは位相変調層１５における媒質中の波長であり、（ｘ，ｙ）は面内の格子点位置であり、ｆは焦点距離である。右辺の符号が正である場合に一次元の凹レンズ要素となり、－１次光がｚ＞０の領域に集光される。右辺の符号が負である場合に一次元の凸レンズ要素となり、１次光がｚ＞０の領域に集光される。焦点距離ｆは、例えば１００μｍである。
【数37】
【0134】
図４３は、縞状の光像を形成する操作を概念的に示す図である。図４３（ａ）は、ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）のみによって一の架空平面上に形成される光像の例を模式的に示す。この光像は、Ｘ軸上において一列に且つ等間隔に並ぶ複数の輝点Ｅ１を含む。図４３（ｂ）は、図４３（ａ）に示す光像を形成するホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）に、図４２に示されたレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を重畳して得られる光像を模式的に示す。ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）によって形成される複数の輝点Ｅ１は、図４３（ｂ）に示すように、レンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）によってＹ方向に引き延ばされて複数の輝線Ｌ１となる。これは、各輝点Ｅ１が、Ｙ方向において一旦集光され、その後に同方向に拡大した結果である。このように、Ｘ軸上において一列に且つ等間隔に並ぶ複数の輝点Ｅ１を形成するホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）に対して、その並び方向と直交する方向に集光する一次元のレンズ要素としてのレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を重畳させることによって、縞状の光像を得ることができる。縞状の光像は、例えば第２実施形態の三次元計測システムに好適に用いられ得る。本発明者は、このような発光デバイスを試作した。図４４は、試作した発光デバイスから出射された縞状の光像の遠視野像である。また、図４５は、比較のため、レンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を用いずに、ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）のみによって縞状の光像を形成した場合の遠視野像を示す。図４５と比較すると、図４４に示す遠視野像では光像に含まれるノイズ（輝度ムラ）が顕著に減少し、明瞭な縞模様が得られることがわかる。このような明瞭な縞状の光像は、三次元計測システムにおいて計測精度の向上に寄与する。また、シリンドリカルレンズ等のレンズ部品を別に設ける場合と比較して、例えば１００μｍといった極めて短い焦点距離に光を集光させることができ、縞模様をより長く延ばすことができる。
【0135】
図４６は、上記とは異なる縞状の光像を形成する操作を概念的に示す図である。図４６に示す態様が図４３に示す態様と相違する点は、ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）によって形成される光像の形状である。すなわち、図４６（ａ）に示す光像は、Ｘ軸上において一列に且つ等間隔に並ぶ複数の輝点群ＥＡ１を含む。各輝点群ＥＡ１は、４つの輝点Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，及びＥ４を含む。輝点Ｅ２，Ｅ３の光強度は輝点Ｅ１の光強度より小さく、且つ互いに等しい。輝点Ｅ４の光強度は輝点Ｅ２，Ｅ３の光強度より小さい。なお、図において、各輝点の光強度は色の濃淡で表されている。色が濃いほど光強度が大きく、色が淡いほど光強度が小さい。輝点Ｅ２，Ｅ３は、Ｘ方向において、輝点Ｅ１を挟む両側に配置されている。輝点Ｅ４は、Ｘ方向において、その輝点Ｅ４が属する輝点群ＥＡ１の輝点Ｅ２（またはＥ３）と、該輝点群ＥＡ１に隣接する輝点群ＥＡ１の輝点Ｅ３（またはＥ２）との間に配置されている。なお、図４６（ａ）に示す例では輝点Ｅ１～Ｅ４が互いにＹ方向にずれているが、これらの一部または全部のＹ方向位置は互いに一致してもよい。
【0136】
図４６（ｂ）は、図４６（ａ）に示す光像を形成するホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）に、図４２に示されたレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を重畳して得られる光像を模式的に示す。ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）によって形成される複数の輝点群ＥＡ１は、図４６（ｂ）に示すように、レンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）によってＹ方向に引き延ばされて複数の輝線群ＬＡ１となる。これは、各輝点群ＥＡ１が、Ｙ方向において一旦集光され、その後に同方向に拡大した結果である。また、輝線群ＬＡ１に含まれる各輝線の光強度の違いによって、Ｘ方向に略正弦波状の強度分布が得られる。こうして得られる縞状の光像もまた、第２実施形態の三次元計測システムにおいて好適に用いられ得る。
【0137】
図４７は、図４６に示した態様と類似の態様を示す図である。図４７に示す態様が図４６に示す態様と相違する点は、ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）によって形成される光像の形状である。すなわち、図４７（ａ）に示す光像は、Ｘ軸上において一列に且つ等間隔に並ぶ複数の輝点群ＥＡ２を含む。複数の輝点群ＥＡ２は、Ｘ方向において互いに離れて配置されている。各輝点群ＥＡ２は、５つの輝点Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，及びＥ５を含む。輝点Ｅ２，Ｅ３の光強度は輝点Ｅ１の光強度より小さく、且つ互いに等しい。輝点Ｅ４，Ｅ５の光強度は輝点Ｅ２，Ｅ３の光強度より小さく、且つ互いに等しい。輝点Ｅ２，Ｅ３は、Ｘ方向において、輝点Ｅ１を挟む両側に配置されている。輝点Ｅ４，Ｅ５は、Ｘ方向において、輝点Ｅ１～Ｅ３を挟む両側に配置されている。なお、図４７（ａ）に示す例では輝点Ｅ１～Ｅ５のＹ方向位置が互いに一致しているが、これらの一部または全部はＹ方向に互いにずれていてもよい。なお、図４７（ａ）には、一例として輝点Ｅ１～Ｅ５の光強度の相対値の例がグラフに示されている。この例では、輝点Ｅ１の光強度を１．０とするとき、輝点Ｅ２，Ｅ３の光強度は０．５０であり、輝点Ｅ４，Ｅ５の光強度は０．２５である。
【0138】
図４７（ｂ）は、図４７（ａ）に示す光像を形成するホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）に、図４２に示されたレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を重畳して得られる光像を模式的に示す。ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）によって形成される複数の輝点群ＥＡ２は、図４７（ｂ）に示すように、レンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）によってＹ方向に引き延ばされて複数の輝線群ＬＡ２となる。これは、各輝点群ＥＡ２が、Ｙ方向において一旦集光され、その後に同方向に拡大した結果である。また、輝線群ＬＡ２に含まれる各輝線の光強度の違いによって、Ｘ方向に沿って光強度が略正弦波状に増減する強度分布が得られる。こうして得られる縞状の光像もまた、第２実施形態の三次元計測システムにおいて好適に用いられ得る。本発明者は、このような発光デバイスを試作した。図４８は、試作した発光デバイスから出射された縞状の光像の遠視野像である。図４５と比較すると、図４８に示す遠視野像においても、光像に含まれるノイズ（輝度ムラ）が顕著に減少し、明瞭な縞模様が得られることがわかる。
【0139】
図４９は、図４６に示した態様と類似の別の態様を示す図である。図４９に示す態様が図４６に示す態様と相違する点は、ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）によって形成される光像の形状である。すなわち、図４９（ａ）に示す光像は、Ｘ軸上において一列に且つ等間隔に並ぶ複数の輝点群ＥＡ３を含む。複数の輝点群ＥＡ３は、Ｘ方向において互いに離れて配置されている。各輝点群ＥＡ３は、５つの輝点Ｅ６，Ｅ７，Ｅ８，Ｅ９，及びＥ１０を含む。図示例では各輝点Ｅ６～Ｅ１０の光強度は互いに等しいが、例えば図４７（ａ）に示した態様のように、輝点Ｅ７，Ｅ９の光強度が輝点Ｅ８の光強度より小さく、輝点Ｅ６，Ｅ１０の光強度が輝点Ｅ７，Ｅ９の光強度より小さくてもよい。輝点Ｅ６～Ｅ１０は、Ｘ方向においてこの順に並んで配置されており、輝点Ｅ６～Ｅ１０をＸ軸に投射すると隙間無く連続している。なお、図４９（ａ）に示す例では輝点Ｅ６～Ｅ１０が互いにＹ方向にずれているが、これらの一部または全部のＹ方向位置は互いに一致してもよい。
【0140】
図４９（ｂ）は、図４９（ａ）に示す光像を形成するホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）に、図４２に示されたレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を重畳して得られる光像を模式的に示す。ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）によって形成される複数の輝点群ＥＡ３は、図４９（ｂ）に示すように、レンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）によってＹ方向に引き延ばされて複数の輝線群ＬＡ３となる。これは、各輝点群ＥＡ３が、Ｙ方向において一旦集光され、その後に同方向に拡大した結果である。また、引き延ばされた後の輝線群ＬＡ３においても、各輝線Ｌ６～Ｌ１０はＸ方向において互いに隣接する。本発明者は、このような発光デバイスを試作した。図５０は、試作した発光デバイスから出射された縞状の光像の遠視野像である。図４５と比較すると、図５０に示す遠視野像においても、光像に含まれるノイズ（輝度ムラ）が顕著に減少し、縞模様の明瞭化が図られていることがわかる。
【0141】
（第２変形例）
ここで、第３実施形態の変形例として、Ｙ方向だけでなくＸ方向にも僅かに集光作用を持たせることを考える。すなわち、Ｘ方向の焦点距離がＹ方向の焦点距離よりも長いレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を設定する。図５１は、そのようなレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）の例を示す図である。同図において、位相の大きさは色の濃淡によって表現されており、色が濃いほど０（ｒａｄ）に近く、色が淡いほど２π（ｒａｄ）に近い。このレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）は、出射光に対して非対称の凹レンズ要素として作用することができる。非対称のレンズ要素としてのレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）は、数式（３８）により表される。但し、λは位相変調層１５における媒質中の波長であり、（ｘ，ｙ）は面内の格子点位置であり、ｆｘはＸ方向の焦点距離であり、ｆｙはＹ方向の焦点距離である。右辺の符号が正である場合に非対称の凹レンズ要素となり、１次光がｚ＞０の領域に集光される。右辺の符号が負である場合に非対称の凸レンズ要素となり、－１次光がｚ＞０の領域に集光される。Ｘ方向の焦点距離ｆｘは例えば１０ｍｍであり、Ｙ方向の焦点距離ｆｙは例えば１００μｍである。
ここで、第３実施形態の変形例として、Ｙ方向だけでなくＸ方向にも僅かに集光作用を持たせることを考える。すなわち、Ｘ方向の焦点距離がＹ方向の焦点距離よりも長いレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を設定する。図５１は、そのようなレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）の例を示す図である。同図において、位相の大きさは色の濃淡によって表現されており、色が濃いほど０（ｒａｄ）に近く、色が淡いほど２π（ｒａｄ）に近い。このレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）は、出射光に対して非対称の凹レンズ要素として作用することができる。非対称のレンズ要素としてのレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）は、数式（３８）により表される。但し、λは位相変調層１５における媒質中の波長であり、（ｘ，ｙ）は面内の格子点位置であり、ｆｘはＸ方向の焦点距離であり、ｆｙはＹ方向の焦点距離である。右辺の符号が正である場合に非対称の凹レンズ要素となり、１次光がｚ＞０の領域に集光される。右辺の符号が負である場合に非対称の凸レンズ要素となり、－１次光がｚ＞０の領域に集光される。Ｘ方向の焦点距離ｆｘは例えば１０ｍｍであり、Ｙ方向の焦点距離ｆｙは例えば１００μｍである。
【数38】
【0142】
図５２は、縞状の光像を形成する操作を概念的に示す図である。図５２（ａ）は、ホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）のみによって形成される光像の例を模式的に示す図であり、図４３（ａ）と同様の光像を示す。図５２（ｂ）は、図５２（ａ）に示す光像を形成するホログラム位相分布φＨ（ｘ，ｙ）に、図５１に示されたレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を重畳して得られる光像を模式的に示す。本変形例においても、複数の輝線Ｌ１は、図５２（ｂ）に示すように、レンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）によってＹ方向に引き延ばされる。同時に、複数の輝線Ｌ１は、レンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）によってＸ方向にも僅かに引き延ばされる。この場合においても、縞状の光像を得ることができる。このような縞状の光像もまた、例えば第２実施形態の三次元計測システムに好適に用いられ得る。
【0143】
本発明者は、本変形例の発光デバイスを試作した。図５３は、試作した発光デバイスから出射された縞状の光像の遠視野像である。比較のため、非対称のレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）の代わりに、図４２に示された一次元のレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）を用いた場合の試作発光デバイスの遠視野像を図４４に示す。図５３と図４４とを比較すると、本変形例に係る非対称のレンズ位相分布φＬ（ｘ，ｙ）によれば、縞の幅を広く調節することができ、三次元計測システムに要求される好適な幅の調整に用いることができる。
【0144】
本開示による発光デバイス及び光源装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態ではＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、及び窒化物系（特にＧａＮ系）の化合物半導体からなるレーザ素子を例示したが、本開示は、これら以外の様々な半導体材料からなるレーザ素子に適用できる。また、上記実施形態では位相変調層と共通の半導体基板上に設けられた活性層を発光部とする例を説明したが、本開示においては、発光部は半導体基板から分離して設けられてもよい。発光部が位相変調層と光学的に結合され、位相変調層に光を供給するものであれば、そのような構成であっても上記実施形態と同様の効果を好適に奏することができる。
【符号の説明】
【0145】
１，１Ａ～１Ｃ…発光デバイス、１０…半導体基板、１０ａ…主面、１０ｂ…裏面、１１…クラッド層、１２…活性層、１３…クラッド層、１４…コンタクト層、１５…位相変調層、１５ａ…基本層、１５ｂ…異屈折率領域、１６，１７…電極、１７ａ…開口、１８…保護膜、１９…反射防止膜、５０Ａ，５０Ｂ…ランダムパターン、５１…領域、５２…選択領域、５３…非選択領域、１００…Ｓ－ｉＰＭレーザ、１０１…三次元計測システム、１０２，１０２Ａ～１０２Ｄ…光源装置、１０３…撮像部、１０４…計測部、１０５…計測光、１０６…ステージ、１１０…光学系、１１２…マスク、１１３，１１４…光学開口、１１５…結像面、Ａ…方向、Ａａ，Ａｂ…出射方向、ＡＸ，ＡＸ１，ＡＸ２…軸線、Ｂ１…基本逆格子ベクトル、Ｄ…直線、Ｅ１～Ｅ１０…輝点、ＥＡ１～ＥＡ３…輝点群、ＦＲ…画像領域、Ｇ…重心、Ｋ１～Ｋ４，Ｋａ，Ｋｂ…面内波数ベクトル、Ｌ１，Ｌ６～Ｌ１０…輝線、ＬＡ１～ＬＡ３…輝線群、Ｌａ…１次光、Ｌｂ…－１次光、ＬＧ…ゴースト光、ＬＬ…ライトライン、ＬＬ２…領域、ＬＭ…光像、Ｌｏｕｔ，Ｌｏｕｔ１，Ｌｏｕｔ２，ＬｏｕｔＡ，ＬｏｕｔＢ…出射光、Ｏ…格子点、ＰＭ…投影面、Ｒ…単位構成領域、ＲＩＮ…内側領域、ＲＯＵＴ…外側領域、ＳＡ…被計測物、Ｕ，Ｕ１，Ｕ２，ＵＤ…集光点、Ｖ１…回折ベクトル、Ｗ１…ストライプパターン、θａ…角度、θｐ…照射角度。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】
【図44】
【図45】
【図46】
【図47】
【図48】
【図49】
【図50】
【図51】
【図52】
【図53】
