CN103597276B - 光学单元 - Google Patents

Abstract

光学单元包含旋转透镜（26），其后方被入射从光源（29）出射的光，将之作为照射光束而向前方出射。旋转透镜（26）被构成使得通过其周期性的移动，用照射光束扫描前方，从而形成预定的照射区域。旋转透镜（26）可以被构成使得以与驱动部连接的旋转轴（R）为中心旋转，并且在从光源出射的光通过时，折射的方向周期性地变化。

Description

光学单元

技术领域

本发明涉及光学单元，尤其涉及车辆用灯具所使用的光学单元。

背景技术

近年，已知有通过从由多个发光元件构成的光源出射的光来照射车辆前方的车辆用前照灯。例如，已提出有在矩阵状地配置了多个发光元件的光源前方配置集光透镜，由被配置在光源与集光透镜之间的光圈阻断从光源出射的光的一部分，从而形成想要的配光图案的车辆用前照灯（参照专利文献1）。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2001－266620号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，如专利文献1所示的车辆用前照灯那样，为照射车辆前方的较广范围，需要非常多的发光元件。因此，装置的成本会较高，并且装置大型化所导致的布局的限制也会较多。

本发明是鉴于这样的状况而研发的，其目的在于提供一种涉及用光源的光来进行扫描的新的光学单元的技术。

用于解决课题的手段

为解决上述课题，本发明一个方案的光学单元具有透镜，其后方被入射从光源出射的光，将之作为照射光束向前方出射。透镜被构成使得通过其周期性的移动，用照射光束扫描前方，从而形成预定的照射区域。

根据该方案，通过透镜的周期性的移动，能用照射光束扫描前方，形成预定的照射区域。因此，与由从光源出射的原样的光形成预定的照射区域的情况相比，能将光源小型化。

透镜可以被构成使得以与驱动部连接的旋转轴为中心旋转，并且在从光源出射的光通过时，折射的方向周期性地变化。由此，能通过简便的结构，来实现使用了光源的光的扫描。

还可以具有光源。光源可以被构成使得在透镜的移动周期的一部分相位范围内，光度发生变化。由此，能改变预定的照射区域的一部分的明亮度。

还可以具备具有多个发光元件的光源。多个发光元件可以包括发光颜色不同的多个发光元件。由此，能以仅以同一颜色的发光元件无法实现的颜色的光扫描前方。

多个发光元件可以包括红色发光元件、绿色发光元件及蓝色发光元件。由此，能用白色的光扫描前方。

此外，将以上构成要素的任意组合、本发明的表现形式在方法、装置、系统等间变换后的实施方式，作为本发明的方案也是有效的。

发明效果

根据本发明，能提供一种用光源的光进行扫描的新的光学单元。

附图说明

图1是第1实施方式的车辆用前照灯的水平剖面图。

图2是表示图1所示的车辆用前照灯的主要部分的主视图。

图3是示意性地表示包含本实施方式的光学单元的灯单元的结构的立体图。

图4的（a）及图4的（b）是表示在本实施方式的灯单元中、与旋转透镜的旋转角相应的叶片的样子的剖面图。

图5是示意性地表示图4的（a）及图4的（b）的状态时的投影图像的图。

图6的（a）～图6的（f）是表示在旋转透镜的旋转角度不同的各位置时的投影图像、及合成各投影图像而形成的远光用配光图案的图。

图7是用于说明由具有多种发光元件的光源扫描前方的情况的示意图。

图8是第2实施方式的车辆用前照灯的水平剖面图。

图9是表示图8所示的车辆用前照灯的主要部分的主视图。

具体实施方式

下面基于实施方式、参照附图来说明本发明。各附图所示的相同或等同的构成要素、部件、処理标注相同的符号，并适当省略重复的说明。此外，实施方式仅是例示，并非限定本发明，实施方式中所记载的所有特征及其组合未必都是发明的本质部分。

本发明的光学单元能适用于各种车辆用灯具。下面，说明将本发明的光学单元适用于车辆用灯具中的车辆用前照灯时的情况。

（第1实施方式）

图1是第1实施方式的车辆用前照灯的水平剖面图。图2是表示图1所示的车辆用前照灯的主要部分的主视图。车辆用前照灯10是汽车的前端部的右侧所装配的右侧前照灯，除与左侧处所装配的前照灯左右对称外，与之结构相同。因此，下面针对右侧的车辆用前照灯10进行详细叙述，省略对左侧的车辆用前照灯的说明。

如图1所示那样，车辆用前照灯10具备具有朝前方开口的凹部的灯体12。关于灯体12，其前面开口被透明的前面罩14覆盖而形成灯室16。灯室16作为收容处于在车宽方向上并列配置的状态的2个灯单元18、20状态的空间来发挥作用。

这些灯单元中的被配置在内侧、即右侧的车辆用前照灯10中的图1所示的下侧的灯单元20，是具有透镜的灯单元，被构成使得可照射配光可变远光。另一方面，这些灯单元中的被配置于外侧、即右侧的车辆用前照灯10中的图1所示的上侧的灯单元18被构成使得照射近光。

近光用的灯单元18具有反光罩22、反光罩22所支承的光源灯泡（白炽灯泡）24、未图示的遮光器。反光罩22被已知的构造、例如被使用了校准调节螺钉23和螺母的构造以相对于灯体12自由倾动的方式支承。

如图1所示那样，灯单元20具备：旋转透镜26、具有多个LED28的光源29、以及被配置于旋转透镜26前方的作为投影透镜的凸透镜30。此外，也可以不采用LED28，而是采用EL元件或LD元件等半导体发光元件作为光源。特别是在后述的用于对配光图案的一部分进行遮光的控制中，优选能短时间地、高精度地进行亮灭灯的光源。关于凸透镜30的形状，只要根据所被要求的配光图案、照度分布等配光特性来适当选择即可，可采用非球面透镜或自由曲面透镜。在本实施方式中，作为凸透镜30，采用了非球面透镜。

光源29被支承板13支承。关于支承板13，其角部中的3处通过校准调节螺钉（aimingscrew）15而固定于灯体12。在支承板13的与设有光源29的面相反侧的面上，介由散热片17地装配有散热扇19。由此，光源29介由支承板13及散热片17而被散热扇19冷却，其温度的上升被抑制。

旋转透镜26通过未图示的电机等驱动源以旋转轴R为中心单向地旋转。此外，旋转透镜26具有入射面及出射面，该入射面和出射面被构成使得一边旋转一边折射从LED28出射的光，形成想要的配光图案。在本实施方式中，旋转透镜26构成光学单元。

图3是示意性地表示包含本实施方式的光学单元的灯单元20的结构的立体图。

旋转透镜26是能透过光源的光、作为折射面而发挥作用的透明的圆板状的部件。在图3所示的旋转透镜26中，形状相同的2个扇形的叶片26a设于筒状的旋转部26b周围。旋转透镜26的旋转轴R相对于光轴Ax平行，被设于包含光轴Ax和LED28的平面内。换言之，旋转轴R被设定得与通过旋转而在左右方向扫描的LED28的光（照射光束）的扫描平面大致平行。由此，能谋求光学单元的薄型化。在此，所谓扫描平面，例如能理解为是将作为扫描光的LED28的光的轨迹连续连接而形成的扇形的平面。

此外，关于旋转透镜26的叶片26a，其厚度被构成使得沿以旋转轴R为中心的圆周方向逐渐减薄或增厚。换言之，叶片26a被构成使得包含旋转轴R的平面的剖面形状沿以旋转轴R为中心的周方向逐渐变化。由此，能实现使用了LED28的光的扫描。针对这一点更详细地进行叙述。

图4的（a）及图4的（b）是表示在本实施方式的灯单元中、与旋转透镜26的旋转角相应的叶片的样子的剖面图。图4的（a）表示图3所示的叶片26a的位置P1处于光源的正面时的折射的情况，图4的（b）表示图3所示的叶片26a的位置P2处于光源的正面时的折射的情况。此外，图中的箭头Y表示车辆的宽度方向。

叶片26a的入射面26a1由大致平坦的面构成。另一方面，叶片26a的出射面26a2由从外周部起向旋转部倾斜或曲弯的面构成。更详细来说，叶片26a具有随着以旋转轴R为中心的圆周方向的位置变化，出射面26a2的径向D与光轴Ax所成的角θ也变化的扭曲的形状。由此，能实现使用了光源29的光的扫描。针对这一点更详细地进行叙述。

图5是示意性地表示图4的（a）及图4的（b）的状态时的投影图像的图。从处于光轴Ax上的LED28出射的光被叶片26a的入射面26a1及出射面26a2折射，作为照射光束向前方出射。当叶片26a的相位是图4的（a）所示的位置时，LED28的虚像的位置是从光轴Ax起向图4的（a）的下方错开后的位置。另一方面，当叶片26a的相位是图4的（b）所示的位置时，LED28的虚像的位置是从光轴Ax起向图4的（b）的上方错开后的位置。

因此，LED28的虚像的位置随着叶片26a的旋转而移动。即，外观上，LED28向车宽方向Y移动。因此，由照射光束形成的投影图像I也向车宽方向Y移动。像这样，前方被照射光束扫描，形成远光用配光图案PH。

此外，本实施方式的旋转透镜26的2个叶片26a彼此形状相同，在其边界，出射面是不连续的。即，通过旋转透镜26的旋转，一个叶片26a的位置P1部分刚通过LED28的正面后，另一个叶片26a的位置P2部分就通过LED28的正面。因此，在旋转透镜26单向地旋转时，前述的照射光束的扫描也被单向地进行。

本实施方式的旋转透镜26被构成使得通过180度旋转而使LED28的光单向（水平方向）扫描前方1次。换言之，随着1个叶片26a通过LED28前方，车辆前方的想要的区域被LED28的光扫描1次。此外，考虑所需的配光图案的特性和所扫描出的像的闪烁，基于实验和仿真的结果来适当设定叶片26a的数量、形状、旋转透镜26的旋转速度。此外，作为能根据各种配光控制改变旋转速度的驱动部，优选电机。由此，能简单地改变进行扫描的时刻（timing）。作为这样的电机，优选能从电机本身获得旋转时刻信息的电机。具体来说，能列举出DC无刷（Brush-less）电机。在使用DC无刷电机的情况下，能从电机本身获得旋转时刻信息，故能省略编码器等设备。

像这样，在本实施方式的旋转透镜26中，通过研究叶片26a的形状和旋转速度，能使用LED28的光来左右方向地扫描车辆前方。

图6的（a）～图6的（f）是表示旋转透镜的旋转角度不同的各位置时的投影图像、及合成各投影图像而形成的远光用配光图案的图。图6的（a）表示旋转透镜的旋转角度为0度时的投影图像、图6的（b）表示旋转透镜的旋转角度为45度时的投影图像、图6的（c）表示旋转透镜的旋转角度为90度时的投影图像、图6的（d）表示旋转透镜的旋转角度为135度时的投影图像、图6的（e）表示旋转透镜的旋转角度为180度时的投影图像。图6的（f）表示用照射光束进行扫描而形成的远光用配光图案。图的纵轴和横轴的单位为度（°），表示照射范围及照射位置。如图6的（a）～图6的（e）所示那样，随着旋转透镜26的旋转，投影图像沿水平方向移动。

如图6的（f）所示那样，本实施方式的车辆用前照灯10用旋转透镜26折射LED28的光，并用折射出的光扫描前方，由此能实质上形成矩形的远光用配光图案。像这样，能通过旋转透镜26的单向的旋转而形成想要的配光图案，故不需要如共振镜这样的特殊机构所进行的驱动，此外，如共振镜那样针对反射面的大小的限制较少。此外，本实施方式的旋转透镜26的直径与凸透镜30的直径大致相同，还可以与之相应地增大叶片26a的面积。

此外，具备本实施方式的光学单元的车辆用前照灯10能通过使LED28的亮灭灯的时刻或发光度的变化与旋转透镜26的旋转同步，来形成任意区域被遮光的远光用配光图案。此外，当使LED28的发光光度与旋转透镜26的旋转同步地变化（亮灭灯），来形成远光用配光图案时，通过使光度变化的相位错开，能实现使配光图案本身转动（swivel）这样的控制。

如上文所述那样，本实施方式的车辆用前照灯通过使LED的光扫描而形成配光图案，并通过控制发光光度的变化，能在配光图案的一部分处任意地形成遮光部。因此，与熄灭多个LED的一部分来形成遮光部的情况相比，能以较少数量的LED高精度地将想要的区域遮光。此外，车辆用前照灯10能形成多个遮光部，故即使前方存在多个车辆，也能将与各个车辆对应的区域遮光。

此外，车辆用前照灯10能不移动基础的配光图案地进行遮光控制，故能减小在遮光控制时给驾驶员造成的别扭感。此外，由于能不移动灯单元20地转动配光图案，故能将灯单元20的机构简略化。因此，在车辆用前照灯10中，作为可变配光控制的驱动部，只要具有旋转透镜26的旋转所需的电机即可，能谋求结构的简略化和低成本化、小型化。

（光源的构成）

前述的光源29由多个LED28构成，但只要能满足想要的照射性能，也可以由一个LED28构成。此外，光源也可以是组合了发光元件和荧光体的白色LED。此外，光源可以具有发光颜色不同的多种发光元件。由此，能以仅以同一颜色的发光元件无法实现的颜色的光扫描前方。此外，作为多个发光元件，光源可以包含红色发光元件（R元件）、绿色发光元件（G元件）及蓝色发光元件（B元件）。由此，能以白色的光扫描前方。此外，能不使用荧光体地实现白色光，故能将光源的光高效地利用于照明。此外，为实现白色光，也可以是蓝色发光元件与黄色发光元件的组合、或青色（cyan）发光元件与品红色发光元件的组合。

图7是用于说明由具有多种发光元件的光源扫描前方的情况的示意图。如图7的上部所示那样，在光源29线状地具有多组R元件、G元件和B元件时，旋转透镜26的旋转角度为0度时的投影图像I处于照射区域D的左部。并且，该投影图像按红色、绿色、蓝色的顺序由不同颜色构成。但是，这样的投影图像会向图7的右方移动，至少照射区域D的中央部D1会被白色光照射。

在具有被线状（阵列状）地配置的R元件、G元件和B元件的光源的情况下，如图7所示那样，只要旋转透镜26的形状被设定使得随着旋转透镜的旋转、投影图像I移动2元件量，就能实现白色光。若是这样的微小的移动，则旋转透镜的入射面和出射面时的光的折射角度的变化可以较小。因此，能减薄旋转透镜的厚度，容易制造和加工。此外，在具有多种发光元件的光源的情况下，照射区域D的两端部D2被以不同于中央部D1的颜色照射。像这样，当光源29线状地具有多种发光元件时，能局部地改变照射到照射区域的光的颜色。

汇总以上的本实施方式的车辆用前照灯10所具有的光学单元的功能如下。

本实施方式的光学单元具备旋转透镜26其后方被入射从光源29出射的光，并将之作为照射光束向前方出射。旋转透镜26被构成使得通过其旋转动作，用照射光束来扫描前方，从而形成预定的照射区域。由此，通过旋转透镜26的周期性的移动，能用照射光束扫描前方，形成预定的照射区域。因此，与用从光源出射的原样的光形成预定的照射区域的情况相比，能将光源小型化。

此外，旋转透镜26被构成使得以与电机等驱动部连接的旋转轴R为中心旋转，并且在从光源29出射的光通过时，折射的方向周期性地变化。由此，能以简易的结构实现使用了光源29的光的扫描。

此外，光源29也可以被构成使得在旋转透镜26的移动周期内的一部分相位范围内，光度发生变化。由此，能改变预定的照射区域的一部分的明亮度。特别地，通过使光源在一部分相位范围内熄灭，能形成照射区域的一部分区域被遮光了的配光图案。

此外，光学单元通过组合旋转透镜26与将多个发光元件线状（阵列状）地排列后的面积（幅度）较宽的光源29，能以照射光束的微小的扫描，来照射想要的照射区域。

此外，旋转透镜26的旋转轴R与光轴Ax平行，故能使左、右的灯单元20中的旋转透镜26的配置相同。

此外，当将从排列有多个LED芯片的光源29出射的光直接作为照射光束而向前方出射时，芯片与芯片的间隙会作为较暗的部分而形成在投影图像中。其结果，在照射区域内会产生局部的明亮度的色斑。但是，本实施方式的光学单元能由旋转透镜26用照射光束扫描前方，故能减少这样的明亮度的色斑。

（第2实施方式）

图8是第2实施方式的车辆用前照灯的水平剖面图。图9是表示图8所示的车辆用前照灯的主要部分的主视图。

如图8所示那样，车辆用前照灯110具备具有朝前方开口的凹部的灯体112。关于灯体112，其前面开口被透明的前面罩114覆盖而形成灯室116。灯室116作为收容具有2个光源129a、129b的灯单元120的空间而发挥作用。

灯单元120如图8所示那样，具有：旋转透镜126；具有多个LED128a的光源129a和具有多个LED128b的光源129b；以及被配置在旋转透镜126前方的作为投影透镜的凸透镜122、124，被构成使得照射配光可变远光。关于凸透镜122、124的形状，只要根据所要求的配光图案、照度分布等配光特性来适当选择即可，可采用非球面透镜或自由曲面透镜。

光源129a、129b由支承板113支承。关于支承板113，角部中的3处通过校准调节螺钉115而固定于灯体112。在支承板113的与设有光源129a、129b的面相反侧的面上，介由散热片117装配有散热扇119。由此，光源129a、129b介由支承板113和散热片117被散热扇119冷却，其温度上升被抑制。

旋转透镜126通过未图示的电机等驱动源而以旋转轴R为中心单向地旋转。此外，旋转透镜126具有入射面及出射面，该入射面及出射面被构成使得一边旋转一边折射从LED128a、128b出射的光，形成想要的配光图案。此外，旋转透镜126的光折射是与第1实施方式的旋转透镜26一样的作用，故省略说明。

本实施方式的光学单元118具有旋转透镜26和具有作为发光元件的LED的多个光源129a、129b。多个光源中的一个光源129a所具有的多个LED128a是集光用的LED，被配置使得实现适合远光用配光图案的向行进方向正面的强集光。多个光源中的另一光源129b所具有的多个LED128b是扩散用的LED，被配置使得实现适合远光用配光图案的照射较广范围的扩散光。此外，各光源所具有的LED未必要是多个，只要能实现足够的明亮度，LED也可以是1个。此外，不需要总是点亮所有LED，可以根据车辆的行驶状况和前方的状态而仅点亮一部分LED。

光源129a及光源129b被配置使得各自所出射的光被旋转透镜126的各叶片126a在不同位置折射。像这样，通过将多个光源129a、129b配置使得其各自出射的光被旋转透镜126的叶片126a的不同位置折射，能形成多个配光图案，并且还可以合成这些配光图案，形成新的配光图案，故容易设计更理想的配光图案。

以上参照上述各实施方式说明了本发明，但本发明并不限定于上述各实施方式，适当组合或置换了各实施方式的结构的形式也包括在本发明内。此外，还可以基于本领域技术人员的知识将各实施方式中的组合和处理的顺序适当进行重组和对各实施方式施加各种设计变更等变形，被施加了这样变形的实施方式也包括在本发明的范围内。

例如，车辆用前照灯通过是旋转透镜不旋转地以任意角度停止，能在想要的位置形成最大光度非常高的闪光。由此，能通过用明亮的闪光照射特定的障碍物（包括人），促使其引起注意。

此外，上述实施方式中所使用的非球面透镜未必要是校正畸变的像的构成，也可以是不校正畸变的像的构成。

此外，在上述各实施方式中，说明了将光学单元适用于车辆用灯具的情况，但未必限定于对该领域的适用。例如，也可以适用于切换多个配光图案地进行照明的舞台或娱乐设施中的照明器具。以往，这样的领域的照明器具需要用于改变照明方向的大型的驱动机构，但若是本实施方式的光学单元，能通过旋转透镜的旋转和光源的亮灭灯来形成多个配光图案，故不需要大型的驱动机构，能实现小型化。

此外，在上述各实施方式的光学单元中，相对于旋转透镜，在用照射光束扫描前方的方向为车辆的宽度方向的位置配置了光源。但是，也可以相对于旋转透镜，在用照射光束扫描前方的方向为车辆的上下方向的位置配置光源。由此，能实现光源光向上下方向的扫描。

工业可利用性

本发明能适用于车辆用灯具。

标号说明

10车辆用前照灯、20灯单元、26旋转透镜、26a叶片、26a1入射面、26a2出射面、26b旋转部、28LED、29光源、30凸透镜、118光学单元、119散热扇、120灯单元。

Claims (4)

1.一种车辆用灯具的光学单元，其特征在于，具备：

光源；

旋转透镜，从上述光源射出的光从后方射入上述旋转透镜，并作为照射光束而向前方射出；

投影透镜，其配置在上述旋转透镜的前方；

上述旋转透镜被构成使得通过其周期性的移动来移动光源的虚像的位置，通过该虚像位置的移动来移动投影图像，用上述照射光束扫描前方，从而形成预定的照射区域；

上述光源被构成使得在旋转透镜的移动周期内的一部分相位范围内，上述光源的光度发生变化。

2.如权利要求1所述的车辆用灯具的光学单元，其特征在于，

上述旋转透镜以与驱动部连接的旋转轴为中心旋转，并且在从光源射出的光通过上述旋转透镜时，通过上述旋转透镜的光的折射方向周期性地变化。

3.如权利要求1或2所述的车辆用灯具的光学单元，其特征在于，

上述光源具有多个发光元件；

上述多个发光元件包括发光颜色不同的多种发光元件。

4.如权利要求3所述的车辆用灯具的光学单元，其特征在于，

上述多个发光元件包括红色发光元件、绿色发光元件及蓝色发光元件。