JP2005183090A - プロジェクタ型前照灯 - Google Patents

Abstract

【課題】 プロジェクタ型前照灯において、水平方向における充分な光拡散性を保証するとともに、そのために小型化や軽量化等に支障を来さないようにする。
【解決手段】 プロジェクタ型前照灯１は、光源２、反射鏡３を備え、投影レンズ４を用いて所定の配光パターンを形成する。投影レンズ４の入射面４Ｓｉについて、その水平断面形状を、光源２及び反射鏡３側に突出した凸曲線９とし、その焦点又は基準点から発したと仮定した場合の入射光を屈折させて光軸に平行又は略平行な光線にする作用をもたせる。そして、投影レンズ４の出射面４Ｓｏは照射方向を向いた連続な凸曲面であり、その水平断面形状を直線又は凸曲線とした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、投影レンズを備えたプロジェクタ型前照灯において、レンズ面の形状設計により、水平方向に充分拡散された配光パターンを形成するための技術に関する。

光源、反射鏡、投影レンズを備えたプロジェクタ型前照灯では、楕円を基本とする反射面が用いられ、その第一焦点位置に光源を配置して、反射面の第二焦点に反射光を集める。そして、すれ違いビーム照射用前照灯では、第二焦点位置の近傍に遮光部材（所謂シェード）を配置して配光上不要な光を遮蔽してから、投影レンズでパターンを前方に投影照射する。

投影レンズには平凸レンズが用いられ、例えば、その前面（出射面）を非球面とした場合に球面収差を除去することができる。また、レンズ背面（入射面）を凹面にした形態が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この他、投影レンズの出射面に上下方向の拡散用シリンドリカルレンズを形成し、入射面に左右方向の拡散用シリンドリカルレンズを形成した例が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００３−１２３５１９号公報

実開平４−１０６８０２号公報

ところで、従来のプロジェクタ型前照灯では、投影レンズによって前方に照射される配光パターンに関して水平方向の拡散角を充分に確保することが難しいという問題がある。

例えば、出射面が非球面状をした平凸レンズでは、左右方向（水平方向）において、ある一定以上の拡散角をもった照射光を得ようとする場合、背面（平面）に浅い角度で入射射される光の表面反射が問題となり、これが拡散に限界を与える要因となる。そこで、入射面を凹面形状にすることで、光軸を含む鉛直面内でのレンズ断面に関しては、ある程度の表面反射を抑えることが可能となるが、光軸を含む水平面内でのレンズ断面に関して入射面での表面反射を低減することが困難である。

また、投影レンズの出射面において、その内面での全反射が問題とされる。全反射光量の増加は利用光束の低下を齎し、光量不足の原因となり、投影レンズの小型化や軽量化に支障を来す等の問題がある。

そして、すれ違いビーム配光用前照灯に適用する場合に、投影レンズの形状が配光分布に及ぼす影響として、配光パターンにおいて明暗境界を規定するカットライン（あるいはカットオフ）の形成が問題とされる。つまり、カットラインが明瞭に形成できないと、規格不適合となったり、視認性に問題が生じるが、従来のレンズ形状では充分な対策を講じることができないか、あるいはレンズ及び反射鏡を含めた光学設計に時間がかかり過ぎることや開発コスト等の面で問題がある。

そこで、本発明は、プロジェクタ型前照灯において、水平方向における充分な光拡散性を保証するとともに、そのために小型化や軽量化等に支障を来さないようにすることを課題とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、光源及び反射鏡を備え、投影レンズを用いて所定の配光パターンを得るためのプロジェクタ型前照灯において、下記に示す構成を有するものである。

・投影レンズの入射面が連続な曲面であること
・光軸を含む水平面で投影レンズを切断したときの入射面の断面形状が、光源及び反射鏡側を向いた凸曲線とされ、その焦点又は基準点から発したと仮定した場合の入射光を屈折させて光軸に平行又は略平行な光線として出射させること
・投影レンズの出射面が照射方向を向いた連続な凸曲面であること（光軸を含む鉛直面で切断したときの出射面の断面形状が凸曲線であること）
・光軸を含む水平面で投影レンズを切断したときの出射面の断面形状が直線又は凸曲線であること。

従って、本発明では、投影レンズの水平断面形状を、光源及び反射鏡側に突出した凸曲線として入射面上での表面反射を低減するとともに、出射面境界での全反射を抑制して水平方向への充分な拡がりをもった配光パターンを形成することができる。

従来の投影レンズでは、レンズ背面（入射面）での表面反射に起因して、ある一定以上の拡散光を照射できなかったが、本発明によれば、配光パターンに関して水平方向の拡散角を充分に確保することができる。そして、投影レンズにおける表面反射や全反射に起因する光量不足の問題を克服するとともに、小型化や軽量化に適したプロジェクタ型前照灯を実現することが可能である。

投影レンズの入射面の鉛直断面形状を、光源及び反射鏡側を向いた凹曲線又は直線とする形態は、入射面上での表面反射の抑制に有効である。また、投影レンズの入射面の鉛直断面形状を、光源及び反射鏡側を向いた凸曲線とする形態では、レンズを大きくみせることができる。また、発光面積の増加や眩惑光の低減、灯具全長の短縮化等に有効である。

そして、投影レンズの入射面や出射面の水平断面形状又は鉛直断面形状については、二次以上の高次曲線又は非球面断面曲線にすると、形状設計上の自由度が高く、反射鏡の反射面を含めた総合的な光学設計が容易になる等の利点が得られる。

また、光軸上の焦点又は基準点を通り光軸に直交する水平直線を中心軸にして、入射面の水平断面形状を回転させることによって曲面を形成する形態では、水平断面形状の回転面として投影レンズの入射面を規定することができる(焦点から発した光が入射面に対して鉛直断面において垂直入射となる。)。投影レンズの出射面については、光軸に直交して鉛直方向に延びる中心軸の回りに、出射面の鉛直断面形状を回転させた面として規定すると形状設計が簡単となり、出射面（凸曲面）を回転面として形成することができる。

投影レンズに係る光学設計及び製造の容易性を考慮した場合には、レンズ面の断面形状を二次曲面とすることが好ましく、例えば、投影レンズの入射面の水平断面形状を双曲線とし、出射面を楕円柱面（鉛直断面形状が楕円弧で、水平断面形状が直線である。）とすれば良い。

また、すれ違いビーム照射用灯具への適用においては、光源から発した後、反射鏡によって反射された光が、投影レンズに係る焦点又は基準点に集光されるように設定して、該焦点又は基準点の近傍に遮光部材を配置した構成とし、配光パターンにおいて明瞭なカットラインを形成することができる。つまり、カットラインの明瞭化には、集光作用をもつ入射面の水平断面形状に対して、出射面の水平断面形状を直線とするか又は照射方向を向いた凸曲線とすることが好ましい。

光軸方向からみた投影レンズの水平方向の長さを鉛直方向の長さよりも相対的に短くすることで左右寸法の短縮化及びレンズの軽量化を図ることができ、本発明ではこれに伴う光量不足の影響を少なくすることができる。

本発明は、自動車等の車両用前照灯への適用において、光源及び反射鏡と、投影レンズを用いたプロジェクタ（投影）型前照灯に関するものである。例えば、走行ビームやすれ違いビームに係る配光パターンにおいて、水平方向への充分な光拡散を可能とし、かつ、グレアによる眩惑光を抑えることが可能である。

図１及び図２は本発明に係る基本的構成の説明図であり、図１はｘ軸で示す灯具の主光軸を含む鉛直断面構成を略線的に示し、図２は主光軸を含む水平断面構成を略線的に示したものである。

プロジェクタ型前照灯１は光源２と反射鏡３を備えており、図中に丸印で簡略的に示す光源としては、例えば、白熱電球や放電灯、発光素子（例えば、発光ダイオード）等が挙げられる。また、反射鏡３の反射面には、楕円を基本とする各種の曲面が用いられ、例えば、回転楕円面や、放物線と楕円を組み合せた曲面（所謂放物−楕円複合面）、さらには、解析的な単一関数では表現できない自由曲面、あるいは非球面等を用いることができる。

尚、本例では、光源２が光軸（ｘ軸）上に位置されていて、その発光部から出射された後に、反射鏡３で反射された光が前方に配置された投影レンズ４に向けて照射される構成を示しているが、本発明の適用においては、このような例に限らず、光源２を灯具の主光軸上に配置しない構成形態、例えば、反射鏡の光軸に対して直交する方向から光源を挿入して該光源の発光部を反射鏡内の所定位置に設定する形態（所謂「横差しタイプ」）等への適用が可能である。

また、すれ違いビームへの適用においては、配光パターンにおけるカットラインを形成するための遮光部材（所謂シェード）５が必要とされ、その上縁部が反射鏡３と投影レンズ４との間で光軸に接するように配置される。尚、本例では便宜上、矩形板状の遮光部材を図示しているが、必要に応じて湾曲形状の遮光部材が用いられる。

ガラスや合成樹脂で形成される投影レンズ（あるいは集光レンズ）４は、反射鏡３から前方（以下、照射方向を前方とする。）に所定の距離をもってｘ軸上に配置されている。

投影レンズ４の入射面４Ｓｉは連続な曲面とされ、不連続な複合面でないことが好ましく、その鉛直断面形状として下記の形態が挙げられる。

（Ｉ）光源２及び反射鏡３側を向いた凹曲線又は直線（ｘ軸に直交し若しくはｘ軸に対して傾斜した直線）
（ＩＩ）光源２及び反射鏡３側を向いた凸曲線。

図１に示す例では、反射鏡３の反射面の鉛直断面形状が楕円状をなしており、反射鏡３からの光が入射面４Ｓｉに入射される。例えば、レンズ周縁部への入射光に関してその表面反射を低減させるには、上記（Ｉ）のように、入射面での法線に対する入射角度を小さくすることが好ましい。つまり、鉛直断面において、実線で示す凹曲線６に係る入射角「φａ」の方が、一点鎖線で示す直線７に係る入射角「φｂ」よりも小さいので、表面反射量が少なくなる。

また、表面反射について特に問題がない場合には、上記（ＩＩ）のように、後方を向いた凸曲線８（二点鎖線参照）を用いることができ、投影レンズ４を大きくみせたい場合に有効である。また、厚みの著しい増加を伴うことなく、発光面積を増加させることができ、発光部分の輝度を低下させて眩惑光を低減することができる。

入射面４Ｓｉの水平断面形状としては、下記の形態が挙げられる。

（１）直線（ｘ軸に直交する直線等）
（２）光源２及び反射鏡３側を向いた凸曲線。

図２に示す例では、反射鏡３の反射面の水平断面形状が楕円状をなすか、あるいは楕円的光学作用と放物的光学作用の中間的な作用をもつ曲線とされ、反射鏡３からの光が入射面４Ｓｉに入射される。例えば、レンズ周縁部への入射光に関してその表面反射を低減させるには、入射面４Ｓｉの水平断面形状が後方を向いた凹曲線でないことが好ましい。つまり、上記（１）に示す直線、さらには上記（２）に示す後方を向いた凸曲線のように、入射面での法線に対する入射角度を小さくすることが好ましい。水平断面において、実線で示す凸曲線９に係る入射角「θａ」の方が、一点鎖線で示す直線１０に係る入射角「θｂ」よりも小さいので、表面反射量が少なくなる。これに対して、入射面４Ｓｉが後方を向いた凹曲面（例えば、球面）である場合には、鉛直断面では表面反射の抑制が可能であるが、水平断面では表面反射を充分に抑制することが難しい。

そこで、本発明では、光軸（ｘ軸）を含む水平面で投影レンズ４を切断したときの入射面の断面形状について、光源２及び反射鏡３側を向いた凸曲線とする。そして、該曲線の焦点又は基準点（集光上の基準点）から発したと仮定した場合の入射光を入射面（境界面）で屈折させて光軸に平行な光線又は許容される設定角度範囲以内で略平行な光線として出射するものである。つまり、この凸曲線の形状は、投影レンズ４の出射面形状との関係において目的とする光学的作用に基いて規定される。一般的な曲率傾向としては、光軸付近の領域で曲率が大きく、周辺領域で曲率が小さい形状を有する。

また、入射面４Ｓｉの水平断面形状が直線であるよりも凸曲線である方が有利な例としては、反射鏡のサイズに比べて投影レンズのサイズが相対的に大きい場合が挙げられる。投影レンズのレンズ径が反射鏡の開口径よりも大きい場合に、入射面の水平断面形状が直線であると、屈折境界での出射角が制限されてしまうが、後方を向いた凸曲線として水平断面形状を規定することで、水平方向の拡散角を増やすことができる。

投影レンズ４の出射面（あるいは射出面）４Ｓｏは、図１に示すように、照射方向を向いた連続な凸曲面であることが好ましく、ｘ軸を含む鉛直面で切断したときの断面形状が凸曲線１１とされる。

そして、ｘ軸を含む水平面で投影レンズ４を切断したときの出射面４Ｓｏの断面形状については、ｘ軸に直交する直線又は凸曲線であることが好ましい。

図３は、投影レンズ４の水平断面形状について説明するための図であり、入射面４Ｓｉの水平断面が、矢印Ｂで示す方向（後方）を向いた凸曲線とされている。

出射面４Ｓｏの水平断面形状については、すれ違いビームへの適用を考慮した場合に、「ＳＬ」に示す直線、又は「ＳA」に示すような、矢印Ａの方向（前方）を向いた凸曲線（例えば、許容範囲内の曲率半径をもつ円弧等）が好ましい。これは、カットラインを明瞭に形成するためであり、「ＳB」に示すように、矢印Ｂ方向を向いた凹曲線を採用した場合には、カットラインが乱れる傾向をもつことが判明している（集光性の入射面水平断面曲線に対して、出射面水平断面形状を凹曲線とした場合には逆作用（発散性）をもつことになる。）。尚、走行ビームへの適用においては、「ＳB」に示すような凹曲線を用いることも可能である（但し、凹部による金型加工性の問題に関して、曲率が大きくなり過ぎないようにする必要がある。）。

尚、図２に示す例では出射面の水平断面形状が前方を向いた凸曲線１２とされているが、これをｘ軸に直交する直線とする場合には、図１の凸曲線１１を、ｘ軸に直交する水平方向に移動させたときの軌跡として形成されるシリンドリカル面となる（具体例については後述する。）。いずれの形態においても出射面４Ｓｏでの全反射光量を充分に低減させるように形状設計が行われる。

プロジェクタ型前照灯１の鉛直断面において（図１参照）、光源２の発光部から発した光は反射鏡３によって反射された後、投影レンズ４に係る上記焦点又は基準点に向けて集光される。例えば、図１において反射面の鉛直断面形状が楕円弧とされ、その第一焦点に光源２が位置されている場合には、反射光が第二焦点（レンズの焦点又は基準点と一致する。）に向けて集光される。そして、該焦点の近傍に配置される遮光部材５の上縁部によってカットラインの形状が規定され、投影レンズ４を介して前方に投影されることになる。

また、プロジェクタ型前照灯１の水平断面において（図２参照）、光源２の発光部から発した光のうち、反射鏡３の近軸領域で反射された光については、光軸（ｘ軸）に近いところを進行して、投影レンズ４の中央部を透過するが、近軸領域から離れた反射面の周辺部で反射される光については、ｘ軸に対して比較的大きな角度をもって投影レンズ４に入射される。

図４乃至図１２は、本発明に係る投影レンズの形状例を示したものであり、例えば、入射面に関して下記に示す形態が挙げられる。

（Ａ）水平断面形状を凸曲線とし、鉛直断面形状を直線とした形態
（Ｂ）水平断面形状、鉛直断面形状をともに凸曲線とした形態。

図４乃至図７は、上記形態（Ａ）の構成例を示したものである。尚、図４は光軸方向からみた投影レンズ４Ａの正面図と、その右方に鉛直断面図（Ａ−Ａ線に示す縦断面図）、下方に水平断面図（Ｂ−Ｂ線に示す横断面図）を示しており、従来の投影レンズＡＳ（前面が非球面の平凸レンズ）の形状を一点鎖線で対比して示す。また、図５、図６は斜視図を示し、図７は光軸に直交する水平方向からみた投影レンズ４Ａの側面図を示している。

図４の正面図に示されるように、投影レンズ４Ａは、従来の非球面レンズＡＳ（正面形状が円形）に比べて水平方向にやや拡がった、楕円に近い形状とされている。

本例では、投影レンズ４Ａの入射面１３に関して光軸を含む鉛直面で切断したときの断面形状が直線１３ｖをなし、光軸を含む水平面で切断したときの断面形状については、光源及び反射鏡側を向いた凸曲線１３ｈとされている。

そして、投影レンズ４Ａの出射面１４に関しては、光軸を含む鉛直面で切断したときの断面形状が照射方向を向いた凸曲線１４ｖとされ、光軸を含む水平面で切断したときの断面形状が照射方向を向いた凸曲線１４ｈとされている。例えば、鉛直方向の断面形状が前方を向いた凸曲線（非球面断面曲線等）とされ、該凸曲線を、光軸に直交する鉛直軸を中心軸として回転させたときの軌跡として形成される曲面を用いることができる。つまり、光軸に直交して鉛直方向に延びる中心軸の回りに、出射面の鉛直断面形状を回転させることによって凸曲面を回転面として規定することができる。

尚、図５は投影レンズ４Ａを斜め前方からみた場合の出射面１４を示しており、図６は、視点を変えて入射面１３及び出射面１４を示している。

入射面１３の鉛直断面形状については、図４や図７に示す直線１３ｖに限らず、図８に示す投影レンズ４Ａ′のように、後方を向いた凹曲線１３ｖ′でも構わない。

入射面１３や出射面１４の水平断面形状又は鉛直断面形状については、例えば、二次以上の高次曲線や、非球面断面曲線が挙げられる。例えば、後者の場合に、二次曲線（円錐曲線）からのずれを与える式が最も簡単であり、二次曲面式に対して高次の補正項を加えた式で表現される曲面は、「Ｘ＝（ｃ・Ｈ²）／（１＋√（１−ｋ・ｃ²・Ｈ²））＋Σ（ａ_i・Ｈⁱ）」で表される。ここで、「Ｘ」はｘ軸上の位置を示し、「ｃ」は頂点での曲率、「ｋ」は円錐定数である。ｘ軸に直交する２軸について、各軸の位置座標をそれぞれ「Ｙ」、「Ｚ」と記すとき、「Ｈ²＝Ｙ²＋Ｚ²」である。「Σ」は自然数変数「i」についての項和を意味し、「ａ_i」はi番目の非球面係数を示す。上記非球面断面曲線は、ｘ軸を含む平面で非球面を切断した場合にできる曲線である。

尚、この他には、スプライン関数等によって非球面を表す方法等が知られており、一般には自由曲線（３次以上のエルミート補間曲線、ベヂエ曲線、Ｂ−スプライン曲線等）を用いて形状設計が行われる。つまり、二次曲線を用いて断面形状を規定する方法に比較して形状設計の自由度が高いので、反射面形状との光学的関係を含めた設計が可能となる。例えば、レンズ面として二次曲面に限定される場合に、形状変更の範囲が狭いために反射面等の形状設計が困難であるときには、自由曲線等を用いることで設計が容易になる等の利点が得られる。使用するＣＡＤ（Computer Aided Design）システムに応じた、各種自由曲線によるパラメトリックな多項式表現の曲線や有理多項式曲線等を用いて断面形状を設計することができるが、これに限らず、ノン・パラメトリック表現での設計も可能である（曲面上の点や法線ベクトル等の基本的計算が可能であれば、数値表現形式の如何は問わない。）。

また、断面曲線の連続性については、１次連続（微分連続又は接線連続）以上であることが好ましい。つまり、多数の線分を繋いで形成される折れ線等では、Ｃ⁰級の接続点に起因する光学的な影響又はレンズ面の加工性に影響を齎す虞がある。但し、異なる目的や機能別に複数の領域を別々に設計して、各領域に係る曲面を接続する場合には１次連続未満の不連続線が生じる場合があり、その位置や光学的な影響等を考慮したときに支障のない範囲で許容されることは勿論である。尚、レンズ材質については成形精度の高さを考慮した場合に透明合成樹脂が好ましい。

図９乃至図１２は、上記形態（Ｂ）の構成例を示したものである。尚、図９は光軸方向からみた投影レンズ４Ｂの正面図と、その右方に鉛直断面図（Ａ−Ａ線で示す縦断面図）、下方に水平断面図（Ｂ−Ｂ線で示す横断面図）を示しており、従来の投影レンズＡＳ（前面が非球面の平凸レンズ）の形状を一点鎖線で対比して示す。また、図１０、図１１は斜視図を示し、図１２は光軸に直交する水平方向からみた投影レンズ４Ｂの側面図を示している。

図９の正面図に示されるように、投影レンズ４Ｂは従来の非球面レンズＡＳに比べてひと回り大きいが、鉛直方向に比べて水平方向に拡がった、楕円に近い形状を有する。

本例では、入射面１５に関して光軸を含む鉛直面で切断したときの断面形状が光源及び反射鏡側を向いた凸曲線１５ｖとされ、光軸を含む水平面で切断したときの断面形状については、光源及び反射鏡側を向いた凸曲線１５ｈとされている。

そして、出射面１６に関しては、光軸を含む鉛直面で切断したときの断面形状が出射方向を向いた凸曲線１６ｖとされる。また、光軸を含む水平面で切断したときの断面形状が出射方向を向いた凸曲線１６ｈとされる。本例でも、光軸に直交して鉛直方向に延びる中心軸の回りに、出射面の鉛直断面形状を回転させることによって凸曲面を回転面として規定することができる（前記凸曲線１４ｈとの相対的な比較では、曲率が小さくされている。）。

尚、図１０は投影レンズ４Ｂを斜め前方からみた場合の出射面１６を示しており、図１１は、視点を変えて入射面１５及び出射面１６を示している。

本例に示す入射面１５や出射面１６の水平断面形状又は鉛直断面形状についても、前記と同様に、二次以上の高次曲線や非球面断面曲線等を用いることができる。

以上に説明した各例では、光軸を含む水平断面や鉛直断面に関して対称性をもった形状を挙げたが、本発明の適用においてはこのような形態に限らない。例えば、車両搭載性を向上させるために、左右（水平方向）又は上下（鉛直方向）において非対称性を有する投影レンズを作製することも可能であり、下記に示す適用形態が挙げられる。

・左右非対称な形態
・上下非対称な形態
・左右及び上下非対称な形態（例えば、アウターレンズのレンズ面形状に適合させた形状等）。

図１３及び図１４は、水平方向において非対称性を有する投影レンズの一例を示したものである。尚、図１３は光軸方向からみた投影レンズ４Ｃの正面図と、その右方に鉛直断面図（Ａ−Ａ線で示す縦断面図）、下方に水平断面図（Ｂ−Ｂ線で示す横断面図）を示している。また、図１４は斜め前方からみたときの出射面の斜視図を示している。

図１３の正面図に示す投影レンズ４Ｃにおいて、その光軸はＡ−Ａ線とＢ−Ｂ線との交点を通り紙面に垂直な方向に延びている。そして、該光軸と出射面との交点位置は、水平方向における中心位置から図の左側にずれたところに位置している。

本例では、入射面１７に関して光軸を含む鉛直面で切断したときの断面形状が光源及び反射鏡側を向いた凹曲線１７ｖ（あるいは直線）とされ、光軸を含む水平面で切断したときの断面形状については、光源及び反射鏡側を向いた凸曲線１７ｈとされている。

そして、出射面１８は、車両の車体形状に適合するように、光軸に対して傾斜した曲面とされている。本例では、光軸を含む鉛直面で切断したときの断面形状が出射方向を向いた凸曲線１８ｖである。また、光軸を含む水平面で切断したときの断面形状が出射方向を向いた凸曲線１８ｈとされ、該曲線上の任意の点を「Ｐ」と記すとき、これが一方の端点ＰＲ（図の右端点）から他方の端点ＰＬ（図の左端点）にいくにつれて、Ｐ点での接線ベクトルの光軸に対する角度が次第に小さくなっていく。尚、車両進行方向に沿う向きからみて車両前部の左側に設けられる灯具の場合には、レンズ出射面の水平断面において、その右端が左端よりも前方に位置する凸曲線又は直線とされ、また、車両前部の右側に設けられる灯具の場合にはその逆となる（水平断面においてその左端が右端よりも前方に位置する凸曲線又は直線とされる。）。

尚、車体前部形状のスラント化（空気抵抗低減等のために、前面の傾斜角度を大きくすること）への適合を考慮し、鉛直方向において非対称性を有する投影レンズを用いることも勿論可能である。この場合には、図１５に示す投影レンズ４Ｄのように、その出射面１９が車両の車体形状に適合するように設計され、光軸に直交する鉛直面に対して傾斜した凸曲面とされる。

実際の投影レンズの形状設計では、レンズ意匠曲面に基いて出射面が先に決められ、該出射面の形状に合わせて入射面の形状が決定される場合が多い（入射面と出射面とがそれぞれ独立に設計されて任意に組み合わされるものではない。）。

上記したように、入射面や出射面の断面形状は一般に自由曲線等の曲線形式で表わされ、曲面形状を想起することが困難であるが、光軸を含む平面に関して対称性を有し、比較的簡単な形状例として、二次曲面あるいは二次曲線を所定の中心軸の回りに回転させたときの軌跡として形成される回転面が挙げられる。

以下では、投影レンズの入射面の水平断面形状を双曲線とし、光軸に直交する水平方向の直線を中心軸とする回転面として入射面を規定するとともに、投影レンズの出射面を楕円柱面とし、球面収差をなくした非球面レンズの構成例について、図１６乃至図２２を用いて説明する。

図１６及び図１７は、プロジェクタ型前照灯の構成例２０を概略的に示したものであり、図１６が鉛直断面構成を示し、図１７が水平断面構成を示す。

図１６において、光源２の発光部が光軸（ｘ軸）上に位置され、反射鏡３（楕円型反射鏡）が設けられており、すれ違いビーム用灯具では、それらの前方に遮光部材５が配置され、さらにその前方に投影レンズ４Ｅが配置されている。

投影レンズ４Ｅは、その入射面４Ｓｉの鉛直断面形状が円弧とされ、出射面４Ｓｏの鉛直断面形状が楕円弧とされている。

また、図１７に示すように、入射面４Ｓｉの水平断面形状が双曲線とされ、出射面４Ｓｏの水平断面形状が光軸に直交する直線とされている。

図１８は、投影レンズ４Ｅの形状例について説明するためのものであり、正面図の上方に水平断面図を示し、正面図の右方に鉛直断面図を示している。

正面図に示す「Ｗｖ」は、投影レンズ４Ｅの縦幅（つまり、鉛直方向の幅）を示し、「Ｗｈ」は投影レンズ４Ｅの横幅（つまり、水平方向の幅）を示す。本例では、投影レンズ４Ｅの正面形状が正方形に近い形状とされ、縦横比（あるいは矩形比）「Ｗｖ／Ｗｈ」が１に近いが、図に破線で示すように、レンズの左右周辺部が中央部に比してそれ程利用されていないこと（反射鏡からの光の大半は光軸寄りのレンズ中心付近を透過する。）を考慮し、周辺部をカットしてＷｖ＞Ｗｈとすることが可能である。つまり、光軸方向からみた投影レンズの水平方向の長さが鉛直方向の長さよりも短くなるように設計すると、レンズの軽量化及び小型化（左右寸法の短縮化）に有効である。プロジェクタ型前照灯の構成要素のうち、車両の外観に現われるのは投影レンズの出射面であり、Ｗｖに比してＷｈの小さい縦長形状のデザインが可能となる。例えば、Ｗｈの最低値は４０ｍｍ程度とされ、Ｗｖが６０ｍｍ程度のレンズ（縦横比の値が１．５程度）を作製することが可能である。

水平断面において、入射面４Ｓｉの形状が双曲線２１であり、出射面４Ｓｏの形状がｘ軸に直交する直線２２である。

図中の「ｙ軸」はｘ軸を含む水平面内でｘ軸に直交する軸（水平軸）を示しており、ｘ軸とｙ軸との交点「Ａ」が入射面に関する焦点（あるいは基準点）とされる。つまり、Ａ点に点光源をおいたと仮定した場合に、この点から発する光が入射面境界（双曲線２１）で屈折されて略平行の光線となり、出射面境界（水平断面ではパワーをもたない。）から前方に向けて照射される。

入射面４Ｓｉは、ｙ軸（Ａ点を通る水平軸）を回転中心軸として双曲線２１を回転させてできる回転面として形成される。

つまり、鉛直断面において、入射面４Ｓｉの形状はＡ点を中心（曲率中心）とする円（図に一点破線で示す大円「γ」参照）の一部（円弧）２３である。

また、鉛直断面において、出射面４Ｓｏの形状は、Ａ点を第一焦点（Ｆ１）とする楕円（図に破線で示す楕円「ε」参照）の一部（楕円弧）２４である（図中の点「Ｆ２」が第二焦点を示す。楕円の焦点Ｆ１、Ｆ２はともに光軸上に位置する。）。

出射面４Ｓｏは、楕円弧２４をｙ軸に平行な方向に沿って並進移動させたときの軌跡として形成されるシリンドリカル形状とされる。

鉛直断面において、Ａ点に点光源をおいたと仮定した場合に、この点から発する光が入射面境界（円弧２３）に垂直入射し、出射面境界（楕円弧２４）で屈折して略平行の光線となり、前方に向けて照射される。

図１９は、斜め前方からみたときの投影レンズ４Ｅの斜視図を示しており、出射面４Ｓｏがシリンドリカル形状とされ、水平方向の両端部が裁断されている。

図２０は、斜め後方からみたときの投影レンズ４Ｅの斜視図を示しており、入射面４Ｓｉが鞍型面とされ、中央部が窪み、上下両端寄りの部分が後方に張り出した形状を有する。

図２１はＡ点を焦点として点光源からの放射光について光線追跡図を示したものであり、上方にレンズの水平断面を示し、下方に鉛直断面を示している。

水平断面における実質的な屈折境界は双曲線２１であり、入射面の屈折作用だけで光を水平方向において平行化していることが分かる。出射面が水平方向にパワーをもたないので、入射面を主面とみなしたときに、双曲線２１とｘ軸との交点を主点として、この点からＡ点までの距離として焦点距離「ｆｈ」が決まる。

また、鉛直断面における実質的な屈折境界が楕円弧２４であり、円弧２３に垂直入射して上下に拡がろうとする光を、出射面の屈折作用だけで鉛直方向において平行化していることが分かる。つまり、出射面を主面とみなしたときに、楕円弧２４とｘ軸との交点（頂点）を主点として、この点からＡ点までの距離として焦点距離「ｆｖ」が決まる。

「ｆｖ＞ｆｈ」の関係は、車両用配光パターンの形成に好適である（焦点距離が長い程、像が小さく投影されるので、鉛直方向に比べて焦点距離の短い水平方向に光を拡散させることができる。）。

例えば、レンズ特性を調べる方法として、焦点付近に格子状の発光体を位置させて該発光体をレンズで投影した場合の投影パターンをシミュレーション等で観察する方法が知られている。上記投影レンズ４Ｅを用いた場合に、格子が広範囲に亘って前方のスクリーン上に投影され、格子間隔については上下方向（鉛直方向）と左右方向（水平方向）とで異なっている。これは、投影レンズの入射面の水平断面形状と出射面の鉛直断面形状との間の焦点距離の相違によるものである（ｆｈ＜ｆｖ）。車両用配光としては鉛直方向に比して水平方向に拡がったパターンが必要とされるため、光軸を含む水平面で投影レンズの入射面を切断したときの断面形状に係る焦点距離を、出射面の鉛直断面形状に係る焦点距離よりも短くすることが好ましい。

これに対して、出射面が非球面状をした従来の平凸レンズを用いた場合には、前方スクリーン上の投影パターン（像）が典型的な樽型歪曲を示し、上下左右の格子間隔が等しくなる（正方格子像）。

以上のように、投影レンズ４ＥはＡ点からの放射光を平行光に変換して、前方に照射する特性を有している。

尚、本例では出射面が楕円柱面とされ、その水平断面形状が直線であるために、入射面の水平断面形状が特定の双曲線となる（離心率が屈折率ｎであり、幾何学的第二焦点が光学的焦点である。）。該双曲線はレンズの屈折率及び後方焦点距離（焦点からレンズ面までの距離）によって決定される。また、入射面が双曲線を用いた回転面であり、鉛直断面において焦点Ａから出た光が出射面境界の線上で屈折して平行光となるように楕円弧を用いている（楕円の離心率が屈折率ｎの逆数に等しい。）。該楕円弧はレンズの屈折率及び焦点距離（焦点からレンズ頂点までの距離）によって決定され、その上下限は、図１８に示す楕円ε及び円γの交点として決まる。

本例のように出射面がシリンドリカル形状とされ、その水平断面形状が直線である場合には、入射面の水平断面形状が双曲線に規定されるが、一般には、出射面の水平断面形状が直線になるとは限らず、その場合の入射面の水平断面形状は解析的関数での表現が困難な曲線形状となる（自由曲面等を用いたレンズ面を呈する。）。

図２２は、反射鏡及び投影レンズを略線的に示した水平断面の説明図である。

投影レンズ４Ｅの屈折境界は図中に実線で示す双曲線２１及び直線２２であり、二点鎖線で示す直線２５及び凸曲線（非球面断面曲線）は、従来の平凸レンズの屈折境界を対比的に示している。

光源２の発光部は、反射鏡３の第一焦点「Ｆ１」に位置されており、該焦点から発した後、反射鏡３の反射面上の点「Ｒ」で反射された光は、投影レンズの入射面に向けて進行する。

双曲線２１上の点「Ｐｉ」は入射点を示しており、理解し易いように垂直入射の場合を例示している。これに対して、点「Ｑ」は直線２５上の入射点を示しており、図中に「θ」で示す入射角をもって平面に入射される。つまり、双曲線２１への入射角がθより小さいことが明らかであり、表面反射光量が低減されることが分かる。

図２３は、本発明を適用した場合のすれ違いビームの配光パターン２７を、破線で示す従来のパターンと対比して概略的に示したものであり、図中の「Ｈ−Ｈ」線が水平線を示し、「Ｖ−Ｖ」線が鉛直線を示している。

投影レンズの入射面における表面反射光量が減少し、従来に比して水平拡散角が大きい配光パターン２７を得ることができる（図の「α」参照）。

例えば、すれ違いビームの配光分布に関して、光源や反射鏡等の条件を同じ設定とした場合に、従来よりも水平拡散角を左右合計で３０°（各１５°）程度大きくできることが等照度曲線図から確認されており、拡散レンズステップ等を必要とせずに、投影レンズのもつ作用だけで充分な水平拡散を保証することができる。

このように、車両用前照灯配光において水平方向の広い拡散光をもって路面照射を行えるので、曲路や交差点、路肩等の視認性を高め、夜間走行の安全性を向上させることができる。また、前照灯の水平拡散角を充分に増加させることで、フォグランプやコーナーリングランプ等の補助前照灯を用いる必要がなくなるといった利点が得られる。

次に、レンズ出射面における全反射について説明すると、図２２の点「Ｐｏ」は直線２２や凸曲線２６上に位置し、当該点を通る出射光線がｘ軸に対してなす角度を「φ」で示している。

凸曲線２６の場合、点Ｐｏでの法線に対する光線の入射角が大きいと全反射による損失光が発生して、利用光束の減少に繋がるが、直線２２の場合には、点Ｐｏでの法線に対する光線の入射角が小さく、全反射せずにレンズ外に出射するため、従来よりも利用光束が増加する。つまり、反射鏡の周縁寄りの部分で反射してから投影レンズの入射面に対して入射される光のうち、これまで出射面での全反射により損失とされていた光を有効に利用することができる。

上記に説明した構成によれば、投影レンズの前面投影面積（有効面積）を増やすことができ、配光パターンにおける光度中心部が必要以上に明るくなり過ぎないようにして、水平方向における充分な拡散光を確保することにより、グレアによる眩惑光を低減することができる。また、投影レンズの左右周縁部を切り取った形状にしても光学的な影響が少ないため、正面形状を矩形状に設計することで、斬新なランプデザインを実現できるとともに、左右幅の短縮化により、レンズの小型化、軽量化を実現できる。

尚、上記の構成では、説明の便宜上、単一の投影レンズをとり挙げたが、本発明の適用においては、このような例に限らず、例えば、図２４や図２５に示すように、目的別に形状や焦点位置等が異なる複数のレンズ部を備えた投影レンズを用いることができる。

つまり、図２４に示す投影レンズ４Ｆでは、２つのレンズ部２８、２９が水平方向に沿って配置され、例えば、その一方のレンズ部２８が走行ビーム用とされ、他方のレンズ部２９がすれ違いビーム用とされている。そして、各レンズ部の入射面に対して共通化された出射面４Ｓｏが、連続面（例えば、曲率が局所的に所定値以上にならない凸曲面等）とされている。また、図２５に示す投影レンズ４Ｇでは、２つのレンズ部３０、３１が鉛直方向に沿って配置され、その一方（例えば、レンズ部３１）が走行ビーム用とされ、他方のレンズ部がすれ違いビーム用とされる。そして、各レンズ部の入射面に対して、連続面とされる出射面４Ｓｏが共通化されている。

尚、これらの投影レンズの材質としては、形状精度を考慮した場合にプラスチックが好ましく、レンズを反射鏡等に固定するための取付部（マウント部等）をレンズ本体と一体成形で作製できるといった利点が得られる。

図２とともに本発明に係る基本構成の説明図であり、本図は鉛直断面構成を示す図である。 水平断面構成を示す図である。 投影レンズの水平断面形状について説明するための図である。 図５乃至図７とともに投影レンズの一例を示す図であり、本図は正面形状及び断面形状を示す図である。 投影レンズの斜視図である。 図５とは異なる方向からみた投影レンズの斜視図である。 投影レンズの側面図である。 投影レンズの別例を示す側面図である。 図１０乃至図１２とともに投影レンズの形状について別例を示す図であり、本図は正面形状及び断面形状を示す図である。 投影レンズの斜視図である。 図１０とは異なる方向からみた投影レンズの斜視図である。 投影レンズの側面図である。 図１４とともに投影レンズの形状についてさらに別例を示す図であり、本図は正面形状及び断面形状を示す図である。 投影レンズの斜視図である。 投影レンズの別例を示す鉛直断面図である。 図１７とともにプロジェクタ型前照灯の構成例を概略的に示す図であり、本図は鉛直断面構成を示す図である。 水平断面構成を示す図である。 図１９、図２０とともに、図１６及び図１７のプロジェクタ型前照灯を構成する投影レンズの形状例を示す図であり、本図は正面形状及び断面形状を示す図である。 投影レンズの斜視図である。 図１９とは異なる方向からみた投影レンズの斜視図である。 点光源からの放射光に関する光線追跡図を例示したものであり、上方に水平断面を示し、下方に鉛直断面を示す。 反射鏡及び投影レンズを略線的に示した水平断面における説明図である。 すれ違いビームの配光パターンについて説明するための図である。 複数のレンズ部を備えた投影レンズの一例を示す斜視図である。 複数のレンズ部を備えた投影レンズの別例を示す斜視図である。

符号の説明

１…プロジェクタ型前照灯、２…光源、３…反射鏡、４、４Ａ、４Ａ′、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ…投影レンズ、４Ｓｉ…入射面、４Ｓｏ…出射面、５…遮光部材、６…凹曲線、７…直線、８…凸曲線、９…凸曲線、１２…凸曲線、１３…入射面、１３ｈ…凸曲線、１３ｖ…直線、１３ｖ′…凹曲線、１４…出射面、１４ｈ、１４ｖ…凸曲線、１５…入射面、１５ｈ、１５ｖ…凸曲線、１６…出射面、１６ｈ、１６ｖ…凸曲線、１７…入射面、１７ｈ…凸曲線、１７ｖ…凹曲線、１８…出射面、１８ｈ、１８ｖ…凸曲線、
１９…出射面、２０…プロジェクタ型前照灯、２１…双曲線、２２…直線

Claims (10)

1. 光源及び反射鏡を備え、投影レンズを用いて所定の配光パターンを得るためのプロジェクタ型前照灯において、
   上記投影レンズの入射面が連続な曲面であって、光軸を含む水平面で上記投影レンズを切断したときの入射面の断面形状が上記光源及び反射鏡側を向いた凸曲線とされ、その焦点又は基準点から発したと仮定した場合の入射光を屈折させて光軸に平行又は略平行な光線として出射させること、
   そして、上記投影レンズの出射面が照射方向を向いた連続な凸曲面であって、光軸を含む水平面で上記投影レンズを切断したときの出射面の断面形状が直線又は凸曲線である
   ことを特徴とするプロジェクタ型前照灯。
2. 請求項１に記載したプロジェクタ型前照灯において、
   上記投影レンズの入射面の鉛直断面形状が、上記光源及び反射鏡側を向いた凹曲線又は直線である
   ことを特徴とするプロジェクタ型前照灯。
3. 請求項１に記載したプロジェクタ型前照灯において、
   上記投影レンズの入射面の鉛直断面形状が、上記光源及び反射鏡側を向いた凸曲線である
   ことを特徴とするプロジェクタ型前照灯。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項記載のプロジェクタ型前照灯において、
   上記投影レンズの入射面の水平断面形状又は鉛直断面形状が、二次以上の高次曲線又は非球面断面曲線である
   ことを特徴とするプロジェクタ型前照灯。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項記載のプロジェクタ型前照灯において、
   光軸上の上記焦点又は基準点を通り光軸に直交する水平直線を中心軸にして、上記投影レンズの入射面の水平断面形状を回転させることによって曲面が形成されている
   ことを特徴とするプロジェクタ型前照灯。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項記載のプロジェクタ型前照灯において、
   上記投影レンズの出射面の水平断面形状又は鉛直断面形状が、二次以上の高次曲線又は非球面断面曲線である
   ことを特徴とするプロジェクタ型前照灯。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項記載のプロジェクタ型前照灯において、
   光軸に直交して鉛直方向に延びる中心軸の回りに、上記投影レンズの出射面の鉛直断面形状を回転させることによって上記凸曲面が形成されている
   ことを特徴とするプロジェクタ型前照灯。
8. 請求項５に記載したプロジェクタ型前照灯において、
   上記投影レンズの入射面の水平断面形状が双曲線であり、かつ上記投影レンズの出射面が楕円柱面である
   ことを特徴とするプロジェクタ型前照灯。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項記載のプロジェクタ型前照灯において、
   上記光源から発した後に上記反射鏡によって反射された光が、上記焦点又は基準点に集光されるとともに、該焦点又は基準点の近傍に遮光部材が配置される
   ことを特徴とするプロジェクタ型前照灯。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項記載のプロジェクタ型前照灯において、
    光軸方向からみた上記投影レンズの水平方向の長さが該投影レンズの鉛直方向の長さよりも短い
    ことを特徴とするプロジェクタ型前照灯。

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