(57)【要約】【課題】配線等の製造作業の煩雑さの少ない三次元形状計測用のパターン光発生装置を提供する。【解決手段】ＬＥＤチップは、線状ＬＥＤ素子が当該素子の延伸方向に垂直な方向に沿って複数配列されてなる素子アレイを備える。この素子アレイは、半導体プロセスにより生成される。各線状ＬＥＤ素子は、それぞれ線状に延びるｐ側電極１０８を有しており、素子分離溝１１０により互いに分離されている。各線状ＬＥＤ素子は共通の基板１２０上に形成されており、その基板１２０の下側には全素子で共用されるｎ側電極１３０が形成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元形状計測用のパターン光を発光するパターン光発光装置であって、
線状の発光層を持つ線状発光ダイオードを、当該線状発光ダイオードの延伸方向に対して直交する方向に、複数個配列してなる発光アレイ部と、
前記発光アレイ部の前記各線状発光ダイオードを所定のスイッチングパターンに従ってスイッチングするスイッチング回路と、
を備えるパターン光発光装置。
【請求項２】
前記各線状発光ダイオードの表面に、それぞれ、当該線状ダイオードの延伸方向の略全長にわたって連続した電極が形成されていることを特徴とする請求項１記載のパターン光発光装置。
【請求項３】
前記複数の線状発光ダイオードは共通の基板の一方の面上に形成されており、当該基板の他方の面には前記複数の線状発光ダイオードに共通の電極が形成されていることを特徴とする請求項２記載のパターン光発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元形状計測用のパターン光を発光するパターン光発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
能動的ステレオ法により対象物表面の各点の三次元位置を計測するシステム（アクティブ・レンジファインダとも呼ばれる）が普及している。この種のシステムでは、対象物表面上の点を特定するために対象物に光を投影し、光が投影された状態の対象物をカメラで撮影する。例えば、光切断法では、レーザ光源などにより形成されるスリット光で対象物を走査する。また、空間コード化法や位相シフト法では、例えば光源と液晶シャッタにより縞模様のパターン光を形成して対象物に投影する。
【０００３】
しかしながら、スリット光を走査する方式は走査機構のために光源ユニットが大型化してしまう。また、光源と液晶シャッタによりパターン光を形成する方式でも、光源から液晶シャッタまでにはある程度の距離を空ける必要があるため、光源ユニットの小型化には限界がある。
【０００４】
これに対し、特許文献１には、点光源として機能する発光ダイオード（ＬＥＤ）素子をマトリクス状に配列したパターン光発光装置が開示されている。この装置では、ＬＥＤ素子の列ごとに発光強度を制御することでパターン光を形成する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１９５８１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、点光源として機能するＬＥＤ素子をマトリクス状に配列した発光装置の場合、製造する際に多数のＬＥＤ素子を基板に接続する作業が煩雑である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、三次元形状計測用のパターン光を発光するパターン光発光装置であって、線状の発光層を持つ線状発光ダイオードを、当該線状発光ダイオードの延伸方向に対して直交する方向に、複数個配列してなる発光アレイ部と、前記発光アレイ部の前記各線状発光ダイオードを所定のスイッチングパターンに従ってスイッチングするスイッチング回路と、を備えるパターン光発光装置を提供する。
【０００８】
１つの態様では、前記各線状発光ダイオードの表面に、それぞれ、当該線状ダイオードの延伸方向の略全長にわたって連続した電極が形成されている。
【０００９】
更に好適な態様では、前記複数の線状発光ダイオードは共通の基板の一方の面上に形成されており、当該基板の他方の面には前記複数の線状発光ダイオードに共通の電極が形成されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、配線等の製造作業の繁雑さの少ないパターン光発生装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、この発明に係るパターン光発光装置の実施形態を説明する。
【００１２】
この実施形態では、三次元形状計測用のパターン光源として、図１に示すＬＥＤチップ１０を用いる。このＬＥＤチップ１０は、線状発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」）素子１００が当該ダイオード１００の延伸方向（すなわち線の延びる方向）Ｐに垂直な方向Ｑに沿って複数配列されてなる素子アレイを備える。１チップに形成する線状ＬＥＤ素子１００の本数は、例えば１２８本である（ただしこれはあくまで一例に過ぎない）。また線状ＬＥＤ素子１００は、例えば、幅約０．２ｍｍ及び長さ約１０ｍｍである（ただしこれはあくまで一例に過ぎない）。
【００１３】
ＬＥＤチップ１０の隅の部分Ｒの上面図を図２に示す。この図に示すように、個々の線状ＬＥＤ素子１００は、素子分離溝１１０により相互に分離されている。線状ＬＥＤ素子１００を構成する要素として、上面図である図２では、線状のｐ側電極１０８とｐ型半導体層１０２の上面が示されている。ｐ側電極１０８は、線状ＬＥＤ素子１００のほぼ全長に渡って連続的に延びており、その端部にワイヤボンディング用のパッド部１０８ａが形成されている。このパッド部１０８ａが、ワイヤボンディングにより制御回路に接続される。
【００１４】
図示例では、すべてのラインのｐ側電極１０８のパッド部１０８ａが同じ側（図では下側）に設けられているが、これは一例に過ぎない。この代わりに、例えば奇数番目のラインではパッド部１０８ａをラインの上端に設け、偶数番目のラインでは下端に設けるなどと言うように、パッド１０８ａの位置を周期的に上下させてもよい。また、ｐ側電極１０８の両端にパッド部１０８ａを設け、両方のパッド部１０８ａにそれぞれ同じ電源電圧を印加するようにしてもよい。線状のｐ側電極１０８の長手方向にそった各位置での電位は、電源電圧が印加されるパッド部１０８ａからの距離に応じて降下するため発光強度もそれに応じて低下する。ｐ側電極１０８の両側から電源電圧を印加すれば、片側から印加する場合よりも電極１０８の各位置での電位の高低差を小さくし、発光強度のばらつきを小さくすることができる。
【００１５】
図２におけるＡＡ線に沿った断面のうち４本の線状ＬＥＤ素子１００が並んだ部分を図３に示す。図３に示すように、ＬＥＤチップ１０の基板１２０は基板１２０を基礎としている。基板１２０の材質は特に限定されない。例えばＧａＡｓ（ガリウムヒ素）などの材料を用いればよい。
【００１６】
基板１２０の一方の面全体に渡ってｎ側電極１３０が形成されている。このｎ側電極１３０は、全ての線状ＬＥＤ素子１０についての共通電極となる。
【００１７】
基板１２０のもう一方の面には、基板１２０に近い順に、ｎ型半導体層１０６，発光層１０４，ｐ型半導体層１０２が積層形成されている。そして、ｐ型半導体層１０２の上に線状のｐ側電極１０８が複数形成されている。ｐ側電極１０８は、１つの線状ＬＥＤ素子ごとに１つ設けられる。
【００１８】
ｎ型半導体層１０６，発光層１０４及びｐ型半導体層１０２は素子分離溝１１０により素子ごとに分離されている。図示例では、素子分離溝１１０はｐ型半導体層１０２の上面からｎ型半導体層１０２の途中までの深さであるが、これは一例に過ぎない。素子分離溝１１０の深さは、発光層１０４を完全に切断する深さ以上であればよい。
【００１９】
ｎ型半導体層１０６，発光層１０４及びｐ型半導体層１０２の材質は、本実施形態の構成上特に限定されない。通常ＬＥＤに用いられる様々なものを用いることができる。また、ｎ側電極１３０及びｐ側電極１０８は、通常ＬＥＤの電極に用いられる材料（例えば金）で形成すればよい。
【００２０】
このようなＬＥＤチップ１０の製造手順の一例を図４に示す。
【００２１】
（ａ）まず、ウエハ状の基板１２０の一方の面に金蒸着などによりｎ側電極１３０を形成するとともに、基板１２０のもう一方の面に、エピタキシャル結晶成長法などの手法により、ＬＥＤ動作層、すなわちｎ型半導体層１０６，発光層１０４及びｐ型半導体層１０２を下から（すなわち基板１２０側から）この順に形成する。
【００２２】
（ｂ）次に、ｐ型半導体層１０２の上面に、金蒸着などの方法により、所定間隔ごとに並んだ複数の線状のｐ側電極１０８を形成する。なお、ｐ側電極１０８を透明電極とすれば、金などの不透明電極を用いる場合よりも、線状ＬＥＤ素子１００の発光面積を増大させることができる。透明電極には、公知の透明導電材料を用いればよい。
【００２３】
（ｃ）そして、ダイシングカットにより素子分離溝１１０を形成する。素子分離溝１１０は、発光層１０４より深い位置まで形成する。ただし、ｎ側電極１３０は切断しない。
【００２４】
このようにして素子分離を行った後、ウエハ全体に（電極１０８及び１３０の部分を除いて）保護膜を形成し、チップサイズごとにカットする。そして、このようにしてできたチップのｎ側電極１３０及び各ｐ側電極１０８を、それぞれワイヤボンディングにより制御回路に接続することで、ＬＥＤチップ１０が完成する。
【００２５】
次に、このＬＥＤチップ１０の発光パターン制御のための構成の一例を、図５を参照して説明する。
【００２６】
図５の例は、位相シフト法による三次元形状計測に利用可能な回路構成である。図では、煩雑さを避けるため、チップ１０上の線状ＬＥＤ素子１００のうちの１６本のみを示している。
【００２７】
各線状ＬＥＤ素子１００の一方の端子は電源Ｖｃｃに接続され、他方の端子はスイッチｓｗ０，ｓｗ１，ｓｗ２，…，又はｓｗ７を介してグランドに接続されている。各スイッチｓｗ０，ｓｗ１，ｓｗ２，…，ｓｗ７は、それぞれ素子アレイ中の８つごとの素子に接続されている。隣り合うスイッチｓｗ０，ｓｗ１，ｓｗ２，…，ｓｗ７は素子アレイ内の隣り合う素子１００に接続されている。例えば、ｓｗ０は左から８，１６，…８ｎ番目（ｎは自然数）の素子１００に、ｓｗ１は左から７，１５，…，（８ｎ−１）番目の素子１００に、それぞれ接続されている。
【００２８】
各スイッチｓｗ０，ｓｗ１，ｓｗ２，…，ｓｗ７は、制御回路２００によりオン・オフ制御される。位相シフト法のためのこれらスイッチのスイッチングパターンの一例を図６（ａ）に示す
【００２９】
この例のスイッチングパターンは、４つの時相Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶを繰り返す。各時相のパターンは、素子アレイの２ライン（すなわち２素子）ごとに交互にオン・オフされる周期パターンであり、その周期パターンが１時相ごとに１ライン、すなわちπ／２ずつ一方に移動する。例えば、時相Ｉではスイッチｓｗ０及びｓｗ１とｓｗ４及びｓｗ５とがオンされ残りのスイッチがオフされ、時相ＩＩではスイッチｓｗ１及びｓｗ２とｓｗ５及びｓｗ６とがオンされ残りのスイッチがオフされる。
【００３０】
図６（ｂ）には各時相での素子アレイの発光パターンを、（ｃ）には各時相の発光パターンに応じて平面に投影されるパターン光の投影パターンを示す。発光パターンはラインすなわち隣り合う２つの線状ＬＥＤ素子１００を単位とした画然としたオン・オフパターンであるが、それが投影されると、発光自体の広がり等により、オン・オフパターンが鈍ることにより、サインカーブに近い光の強度分布が得られる。
【００３１】
位相シフト法では、典型的には、サイン状の強度分布を持つ縞パターン光を対象に投影し、そのパターン光の位相をπ／２ずつずらしながらカメラで撮影し、それら各時相での撮影画像から対象の奥行き情報を得る。図５及び図６に例示した装置は、そのような位相シフト法に利用可能なパターン光を投影することができる。
【００３２】
なお、位相シフト法自体は周知の手法であるので説明は省略する。必要であれば、特開平０６−１０９４３８号公報、三高良介・濱田長生著「位相シフト法による高速高精度３次元計測技術」松下電工技報（Aug.2002）pp.10-15，２００２年８月(http://www.mew.co.jp/tecrepo/78j/pdfs/78_02.pdf)等を参照されたい。
【００３３】
以上、この発明の実施形態を説明した。この実施形態のパターン光発生装置は半導体プロセスにより形成される線状ＬＥＤ素子１００のアレイなので、点光源のＬＥＤ素子をマトリックス状に配列した光源よりも製造や配線の煩雑さが少ない。また、個別の点光源のＬＥＤ素子を多数用いる場合、個々の素子の特性のばらつきにより発光強度分布がラインごとに不規則になるが、本実施形態では半導体プロセスにより形成される線状ＬＥＤ素子１００を用いるのでそのようなラインごとのばらつきはすくない。また、ｎ側電極１３０をすべての線状ＬＥＤ素子１００で共用しているので、ｎ側電極１３０についての配線その他の構成が簡素化できる。
【００３４】
また、この実施形態では、比較的簡単な配線と制御により、位相シフト法のための発光パターンを生成することができる。
【００３５】
なお、上記実施形態のＬＥＤチップ１０の適用先は位相シフト法に限られるわけではない。配線とスイッチングロジックが多少複雑にはなるが、空間コード化法のための二進コードパターンやグレイコードパターンも生成可能であることは、当業者ならば容易に理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施形態のＬＥＤチップの概略構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】実施形態のＬＥＤチップの部分的な上面図である。
【図３】実施形態のＬＥＤチップの部分的な断面図である。
【図４】実施形態のＬＥＤチップの製造工程の一例を示す図である。
【図５】実施形態のＬＥＤチップの発光パターン制御のための構成の一例を示す図である。
【図６】スイッチのオン・オフ制御パターン、これに対応する素子アレイの発光パターン、及び素子アレイから発せられた光の投影パターンを説明するための図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  ＬＥＤチップ、１００  線状ＬＥＤ素子、１０２  ｐ型半導体層、１０４  発光層、１０６  ｎ型半導体層、１０８  ｐ側電極、１１０  素子分離溝、１２０  基板、１３０  ｎ側電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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