JP2017026787A - 回折レンズおよびそれを用いた車載灯具 - Google Patents

Abstract

【課題】厚いレンズが用いられている自動車ヘッドランプ光学系のレンズを、その光学性能を維持したまま薄型化し、レンズ枚数を増やすことなく色にじみを改善する。
【解決手段】光源と、前記光源からの光を反射して集光する凹面リフレクタと、前記リフレクタで集光する光を一部遮蔽するシェードと、前記一部遮蔽された光を前方に投射する回折レンズと、を含み、前記回折レンズの光の入射面が凹面であり、前記凹面には、前記車載用灯具に用いられる光源の波長スペクトル範囲内のある波長の光に対して回折次数の絶対値が５次以上の回折次数で回折効率を最大化する段差のある輪帯構造を持った第1の回折レンズ面が形成されており、出射面は凸非球面とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、白色光に対して用いる光学回折レンズ、およびそれを用いた車載灯具に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００３−３１７５１３号公報（特許文献１）がある。この公報には自動車用ヘッドランプの光学系として、ＬＥＤ光源と、その光を反射して、シェードに集光する凹面鏡と、対向車の運転者の目を強く照明しないために光を遮るシェードと、シェードの像を所定の配光分布として遠方に結像する凸レンズが記載されている。

また、特開２０１４−２６７４１号公報（特許文献２）がある。この公報には、自動車用ヘッドランプの光学系として、光源と、２枚の樹脂レンズと、その樹脂レンズの光源側のレンズの反光源側の面に回折レンズをつけることで、照明される配光パターンの明暗境界線の色にじみを改善することが記載されている。

また、特開２０１２−１４６６２１号公報（特許文献３）がある。この公報には、自動車用ヘッドランプの光学系として、光源からの光をリフレクタやシェードやレンズを介することなく、ホログラム素子を通すだけで、遠方の配光分布を生成することが記載されている。

また、特開２００８−１８１７１７号公報（特許文献４）がある。この公報には、自動車用ヘッドランプの光学系として、光源からの光をリフレクタやシェードを介することなく、フレネルレンズのみで、光を投射することが記載されている。

特開２００３−３１７５１３号公報 特開２０１４−２６７４１号公報 特開２０１２−１４６６２１号公報 特開２００８−１８１７１７号公報

特許文献１に記載されているレンズは、通常非球面形状であり、光学樹脂を用いて金型成形で製造されることが一般的である。また十分な光利用効率と、対向車の運転者の目を照明して幻惑することを防止するための所定の配光分布の実現との両立のためには、数ｃｍ程度の厚みが必要である。そのため高温で溶融した樹脂が金型の中で冷却するのに長い時間を要し、生産性向上の課題がある。

特許文献２に記載されているレンズは、照明される配光分布の明暗境界の色にじみを、回折レンズを付加することで軽減しているが、レンズが２枚となり製造コストが増大する課題がある。

特許文献３に記載されているヘッドランプ光学系は、リフレクタもシェードもレンズも用いず、平板の透過型ホログラム素子のみで代用することから光学系が大幅に簡素化される特徴がある。しかしホログラム素子は、任意の出射光分布を生成するためには非常に微細なピッチの不規則とも言うべき格子パターンを形成することが必要であり、白色光のような広い波長範囲に対しては、所定の波長からのずれに応じて急激に回折効率が低下するという課題がある。

特許文献４に記載されているヘッドランプ光学系は、照射される配光分布について略長円形とすることしか考慮されておらず、対向車の運転者の目を照射しないようにするための明暗境界を設けることができない課題がある。またフレネルレンズは中心から周辺に向かうにしたがって、徐々に格子ピッチが細かくなるため、周辺の格子はレンズを目視した場合に目立たないものの、中心部分のピッチの粗い部分は目視でき、従来の曲面のみによって構成されたレンズと比べるとその違いが際立ち、意匠性に課題がある。

本発明はそれらの課題に鑑み、所定の配光性能を維持しながら、レンズの厚さを薄くして、短い冷却時間で成形できる樹脂レンズを実現することを目的とする。
また、配光分布の明暗境界の色にじみを軽減し、フレネルレンズに見られるようなレンズ中心部のピッチの粗い輪帯構造による意匠性の低減を緩和した車載用灯具を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「自動車用灯具に用いられる回折レンズであって、前記回折レンズの光の入射面が凹面であり、前記凹面には、前記自動車用灯具に用いられる光源の波長スペクトル範囲内のある波長の光に対して回折次数の絶対値が５次以上の回折次数で回折効率を最大化する段差のある輪帯構造を持った第1の回折レンズ面が形成されており、出射面は凸非球面であること」を特徴とする。

本発明によれば、所定の配光性能を維持しながら、レンズの厚さを薄くして、短い冷却時間で成形できる樹脂レンズを実現することができる。
また、配光分布の明暗境界の色にじみを軽減し、フレネルレンズに見られるようなレンズ中心部のピッチの粗い輪帯構造による意匠性の低減を緩和した車載用灯具を提供することができる。
特許文献１で課題となるレンズの成形時間は、厚いレンズと同じレンズ作用を保ったまま薄くできるので、溶融した樹脂が成形機の中で冷却する時間が短縮され、生産性が向上する。

特許文献２で課題となる色にじみの改善のコストは、上記の薄いレンズ１枚において色消し回折レンズを付加することで改善される。

特許文献３で課題となる波長による回折効率の低下は、高次の回折レンズを用いることで改善される。

特許文献４で課題となる対向車の運転者の目を幻惑しない明暗境界を持った配光分布との両立は、リフレクタ、シェードとの併用で解決できる。さらに中央部分のピッチが粗いことによる意匠性の低下は、中央部分の格子ピッチを細かくすることで改善できる。

以上をまとめるならば、従来の屈折レンズと等価なレンズをその光学性能を維持したまま薄型化することができ、量産性にすぐれた低コストで高性能で意匠性のあるレンズを提供することができる。またそれらを用いた自動車用ヘッドランプでは、装置の軽量化や小型化ができ、安価に高品質の光学装置を提供することが可能となる。

実施例１の回折レンズを示す図である。 実施例１の回折レンズの回折面の光軸近傍の拡大図である。 実施例１の回折レンズの輪帯面と包絡面との差分のカーブを示したものである。 実施例１の回折レンズの各輪帯の面形状を示す図である。 実施例１の回折レンズを入射面につける理由を説明する図である。 実施例１の回折レンズの設計において等価な設計な設計を意図した基準となる元の通常レンズの面形状を示す図である。 波長５２０ｎｍで１次回折光をほぼ１００％回折するブレーズ回折格子の回折効率（上図）と回折角（下図）である。である。 波長５２０ｎｍで２次回折光をほぼ１００％回折するブレーズ回折格子の回折効率（上図）と回折角（下図）である。 波長５２０ｎｍで３次回折光をほぼ１００％回折するブレーズ回折格子の回折効率（上図）と回折角（下図）である。 波長５２０ｎｍで４次回折光をほぼ１００％回折するブレーズ回折格子の回折効率（上図）と回折角（下図）である。 入射側高次回折レンズの出射側面に色消し回折レンズを付加した第２の実施例の面形状設計結果を示す図である。 入射面に高次回折レンズと色消し回折レンズを重畳した第３の実施例の面形状設計結果を示す図である。 実施例３の高次回折レンズと色消し回折レンズの位相関数値を比較する図である。 実施例３の高次回折レンズと色消し回折レンズの格子密度を比較する図である。 実施例３の高次回折レンズと色消し回折レンズを重畳する方法の模式図である。 実施例４の自動車用ヘッドランプ光学系の模式図である。 実施例１のレンズ１７０４を用いた場合のヘッドランプ光学系の光線追跡結果例である。 図１７の光線追跡結果により２５ｍ遠方を照射したときの１６ｍ×４ｍエリアの光の強度分布である。 元のレンズを用いた場合の、図１８の表示断面位置での光強度（右側縦軸、対数座標）と色度座標値（左側縦軸、線形座標）を断面方向座標に対して表示したものである。 実施例１の回折レンズを用いた場合の、図１８の表示断面位置での光強度（右側縦軸、対数座標）と色度座標値（左側縦軸、線形座標）を断面方向座標に対して表示したものである。 実施例２の回折レンズを用いた場合の、図１８の表示断面位置での光強度（右側縦軸、対数座標）と色度座標値（左側縦軸、線形座標）を断面方向座標に対して表示したものである。 元のレンズを用いたときの図１８の表示断面位置での光強度（対数座標）をＹ方向断面位置に対して４５０、５５０、６５０ｎｍの各単色光にごとに示したものである。 第１の実施例の回折レンズを用いたときの図１８の表示断面位置での光強度（対数座標）をＹ方向断面位置に対して４５０、５５０、６５０ｎｍの各単色光にごとに示したものである。 第２の実施例の回折レンズを用いたときの図１８の表示断面位置での光強度（対数座標）をＹ方向断面位置に対して４５０、５５０、６５０ｎｍの各単色光にごとに示したものである。 第３の実施例の回折レンズを用いたときの図１８の表示断面位置での光強度（対数座標）をＹ方向断面位置に対して４５０、５５０、６５０ｎｍの各単色光にごとに示したものである。 第５の実施例の回折レンズの輪帯形状と包絡面形状との差分を表示する図である。 第５の実施例の回折レンズのサグのプロファイルの中心付近の拡大図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明の実施の形態の一つとしては、自動車用灯具に用いられる回折レンズであって、前記回折レンズの光の入射面が凹面であり、前記凹面には、前記自動車用灯具に用いられる光源の波長スペクトル範囲内のある波長の光に対して回折次数の絶対値が５次以上の回折次数で回折効率を最大化する段差のある輪帯構造を持った第1の回折レンズ面が形成されており、出射面は凸非球面である構成とすることができる。回折次数の絶対値としているのは、回折次数の正負は、本実施の形態では本質にあまり関係がないためである。回折レンズ面によるレンズ作用が付加されることで、レンズの設計自由度が向上し、厚いレンズと同じレンズ作用を薄いレンズで実現することが可能となる。回折次数を５次以上の高次としているのは可視域で最低限の利用効率で所定のレンズ作用を得ることと、レンズの金型加工がしやすい格子ピッチを両立するためである。後で説明するように、このような回折レンズでは、波長によって実質的に用いる回折次数が３つ以上ある。３つそれぞれの回折次数で回折効率が最大となる３つの波長では、回折レンズの回折角は、回折レンズの輪帯面で光線が幾何光学的に屈折されるのと同じ角度になる。したがって３つの波長間での回折角の大小関係は、幾何光学的な屈折率の波長分散による屈折角の大小関係と同じ極性になるので、このような高次の回折レンズでは、いわゆる回折レンズの色消し作用は得られない。

また、前記レンズの出射面側に、前記光源の波長スペクトル範囲内のある波長の光に対して回折次数の絶対値が２次以下の回折次数で回折効率を最大化する段差のある輪帯構造を持った第２の回折レンズ面が形成されている構成とすることもできる。第２の回折レンズ面は配光分布の明暗境界の色にじみを軽減するためのものであるが、レンズのシュッ差は面側に重畳することでレンズ枚数を１枚にできる。回折次数を２次以下とするのは第１の回折レンズ面と異なり、回折作用による回折角の波長特性が屈折作用による屈折角の波長特性と逆極性になることを利用するためである。

また、前記レンズの入射面側の前記第1の回折レンズ面に重畳して、前記光源の波長スペクトル範囲内のある波長の光に対して回折次数の絶対値が２次以下の回折次数で回折効率を最大化する段差のある輪帯構造を持った第２の回折レンズ面が形成され、第２の回折レンズの格子ピッチは、全域にわたって、第１の回折レンズの格子ピッチより短い構成とすることもできる。回折レンズでは隣接する輪帯間の光路差が設計波長の回折次数倍になっているため、２枚の回折レンズを重畳する場合に、第１の回折レンズの回折次数が大きいと、互いに隣接する輪帯間を通過する光の干渉性が低下する。第１の回折レンズは元々、回折角を回折面での屈折角と等しくしているので、それによって特に支障はないが、第２の回折レンズは回折角の変化の方向が、屈折角の変化の方向と異なることを色消しに利用するので、干渉性が低下する可能性がある。そのため干渉性が低下する第１の回折レンズの１つの輪帯の中に、複数の第２の回折レンズの輪帯が含まれるようにして、屈折角とは逆の極性の回折角の波長依存性が得られるようにする。

また、前記レンズの第1の回折レンズの回折次数の絶対値が入射面中央部において周辺部よりも小さい構成にすることもできる。自動車用灯具では、外観の意匠性、すなわち「かっこよさ」も重要であり、回折レンズの輪帯境界がすじとなって視認されるのは意匠性低下の懸念がある。特に光軸近傍のレンズ中央部では格子ピッチが粗くなるので、局所的に回折次数を小さくしてピッチを細かくすることが有効である。しかし中央部の格子ピッチを細かくする回折次数のままでは、周辺部のピッチが細かくなりすぎて金型の加工性が低下するので、中央部だけ周辺部より回折次数を小さくする。

また、光源と、その光源からの光を反射して集光する凹面リフレクタと、前記リフレクタで集光する光を一部遮蔽するシェードと、前記一部遮蔽された光を前方に投射する上記回折レンズとを含む自動車用灯具を構成することもできる。

このような自動車用灯具では、リフレクタは水平方向に放物面形状、垂直方向に楕円面形状を有するように構成することが出来る。このようにすると、照射される配光分布の明暗境界として結像させるシェードの段差形状を均一に広く照明できる。

以下、図面を用いて、本発明の実施例を更に具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない

本実施例では、入射面に高次回折レンズを設けてレンズを薄型化する実施例を説明する。
図１は、本実施例の回折レンズの設計結果の例を示す図である。回折レンズ１０１は、光源１０２からの発散光を略平行光に変換するレンズであり、概形は入射面１０３が凹面、出射面１０４が凸面となったメニスカスレンズである。このレンズは図６に示す焦点距離５７ｍｍ、口径６２ｍｍの通常レンズ６０１と同等の機能を有するレンズとして設計した回折レンズである。入射面１０３には段差によって区分された軸対称な輪帯領域が形成された回折レンズ形状が形成されている。回折次数は４０次、輪帯数は中央の円形領域を含め１５１輪帯であり、輪帯幅は一番狭いところでも９０μｍ、段差は一番内側の輪帯で４４．３μｍである。このような輪帯幅と深さであれば、ダイヤモンドバイトによる金型切削加工は容易に行える。入射面形状、および出射面の輪帯面各中間点と段差中間点を結ぶ包絡面の形状は、いずれも以下の非球面形状を表す数式１で記述される。

ここでｚは光軸方向を正とする面のサグ量、ｒは半径座標、ｃは面曲率、ｋは円錐係数、Ａ４、Ａ６，Ａ８は非球面係数である。これらの値を図中に表で示している。またこの非球面の記述式は図６の元のレンズでも同様の定義である。軸上厚さは通常レンズが２２．７ｍｍなのに対して、回折レンズで１５．６ｍｍであり、約３０％薄くなっている。

回折面の位相関数は、回折面を付加する面（ここでは入射面側）で透過する光に加わる位相の値を、ラジアンを単位として回折面を付加する面の口径半径で規格化された半径座標ρに対して表す関数であり、数式２で定義される。

ここでΦは位相値、Ｍは回折次数、α2ｉは２ｉ次の位相関数係数である。符号は光軸に対する光路差と同じ符号である。位相関数を用いると、その係数によって回折面が容易に最適化でき、それに基づいて輪帯面を設計製作すれば、位相関数による設計性能を実現することができる。ただし位相関数は回折レンズの格子ピッチを規定するだけで、輪帯形状については何ら表現するものでない。このため所定の回折次数で回折効率を最大化する輪帯形状は、得られた位相関数係数から別に設計する。

図２は、図１の回折面の光軸近傍の拡大図である。図１のレンズの配置図に合わせて、横軸は光軸方向に沿ったサグ量、縦軸は光軸からの半径位置である。段差のある屈曲したカーブが輪帯面形状、その段差部の中央を貫く滑らかなカーブが図１に示した包絡面の形状である。

図３は、図２の輪帯面と包絡面との差分のカーブを示したものである。図２と異なり、横軸に半径、縦軸にサグの差分値を表示している。包絡面のサグ量が段差に比べて大きいため、輪帯面形状を全体で表示すると段差が目視できなくなってしまうが、このように差分で表示すると段差部分のみを取り出して評価できる。周辺ほど細かく、中心ほど粗い格子ピッチとなっている。

図４は、各輪帯の面形状を示す図である。中心の円形領域を第０輪帯とし、以下内側から第１、第２、・・・と番号付けしたとき第ｍ輪帯面形状は、数式３のように、６次のべき多項式の係数によって表現されている。図４では、輪帯番号ｍ＝０〜８と、１４５〜１５０について示す。

ここでｚｍは第ｍ輪帯面の光軸方向を正とする面のサグ量、ａｍ０は第ｍ輪帯の０次の面係数、ａｍ２は第ｍ輪帯の２次の面係数、ａｍ４は第ｍ輪帯の４次の面係数、ａｍ６は第ｍ輪帯の６次の面係数、ｒｍ−１は第ｍ輪帯の内側境界半径、ｒｍは第ｍ輪帯の外側境界半径である。第ｍ輪帯の外側境界半径は第ｍ＋１輪帯の内側境界半径と同じである。これらの輪帯面形状は、回折レンズの位相関数から、変換されたものである。ここでは位相関数値をＭ・λＢごとに分割する半径位置を境界半径として輪帯境界を求め、その中間位相値をとる半径座標において、輪帯包絡面を交差し、輪帯境界で光路差がＭλとなる条件から、各輪帯面の面係数を決めている。

回折レンズは入射面でなく、出射面にもつけることができる。しかしレンズとして作用する回折レンズの輪帯形状を、入射面につける場合と出射面につける場合では、金型の加工性が異なる。図５はその違いを示す模式図である。回折レンズが、集光レンズとしての機能を果たすためには、外周の光線ほど光路差を短くすると、中央の光線より先に進み、等位相面としての光の波面は光の進行方向に向かって凹面となり光線を集光させることができる。このような波面を輪帯構造で実現するためには、位相関数が外周に向かってｎ波長（２ｎπ）短くなるごとに、ｎ波長分、光路差が長くなるような段差を設ければよい。したがって回折レンズを入射面５０１につける場合には、入射面は図６の元のレンズでは元々平面であり、薄型化のためにはゆるい凹面となるので、図５の左側に示すように、外周ほど光路差が長くなる段差は９０°より開いた角によって構成されることになる。一方、右側に示すように、回折レンズを出射面５０２につける場合には、出射面が曲率の大きい凸面であることから、外周ほど光路差が長くなる段差は９０°より狭い鋭角によって構成される。このような段差は、ダイヤモンドバイトによる金型加工がしにくい形状であり、金型加工のしやすさ、という観点では入射面に回折レンズをつけるのが望ましい。

次に、本実施例を含む、本願実施例全体において、高次回折光を用いる理由を、低次回折光との比較において説明する。

図７は、波長５２０ｎｍで１次回折光をほぼ１００％回折するブレーズ回折格子の回折効率（上図）と回折角（下図）である。ともに横軸は波長である。回折角の計算では仮に格子ピッチを９０μｍ、格子の材料はＰＭＭＡと仮定している。１次回折光は波長が５２０ｎｍからずれるにしたがって回折効率が低下し、それにともなって２次や０次の周辺の回折次数にエネルギーが分散されることがわかる。しかし自動車用灯具が対象とする光源波長範囲である、全可視波長域にわたって、ほぼ８０％以上の回折効率が得られることがわかる。１次回折光の回折角は波長が長いほど大きく短いほど小さい。この極性は合わせて示した幾何光学的な屈折角の変化の極性と逆になっていることがわかる。幾何光学的な屈折角はブレーズ格子の格子面に入射する光線の屈折角をスネルの法則によって計算したものである。ＰＭＭＡのような樹脂の屈折率は、波長が短いほど大きく、長いほど小さいため、波長が長いと屈折角が小さくなって光学素子で色収差を発生させる原因となる。このように屈折角と回折角で波長に対する極性が異なることを利用して色消しをすることは多数提案されている。

図８は、図７と同様にして波長５２０ｎｍで２次回折光をほぼ１００％回折するブレーズ回折格子の回折効率と回折角である。図７と比べると、波長が５２０ｎｍからずれたときの効率低下が大きくなっているが、可視域全体でまだ２次回折光が最大効率を維持していることがわかる。このため、本願の第２の回折レンズのような色消しの用途においては、色収差に対する許容範囲によっては２次回折光でも適用できると考えられる。回折角のグラフにおいて屈曲点があるのは、ここで回折効率最大の次数が入れ替わることを意味している。

図９は、同様にして波長５２０ｎｍで３次回折光をほぼ１００％回折するブレーズ回折格子の回折効率と回折角である。波長が５２０ｎｍからずれるのに伴う回折効率の低下はさらに大きくなっているが、隣接次数の最大強度は可視域内には現れていない。

図１０は、同様にして波長５２０ｎｍで４次回折光をほぼ１００％回折するブレーズ回折格子の回折効率と回折角である。隣接次数が最大強度となる波長が可視域に現れている。回折角のカーブに重ねている縦の破線がそれぞれの次数の回折効率が最大となる波長の位置を表している。このような状態とすることで波長によって３つの回折次数の光を利用することで広い範囲で１００％近い回折効率を実現できる。また、このような状態は５次回折光以上の回折次数の光が光源の波長域で、最大強度となる状態とも言うことができる。このように波長による回折次数の低下を隣接次数の回折光を用いる構成とすることで補うことが、高次回折光を用いる理由の１つである。またもう一つの理由は、高次回折光を用いれば格子ピッチを広くできるので金型加工がしやすいことである。

本実施例のレンズを用いた、自動車用ヘッドランプとしての性能評価結果については、ヘッドランプとしての実施例の説明の中で、他の実施例のレンズと共に合わせて説明する。

本実施例では、入射面に高次回折レンズ面を設けるとともに、出射面に色消し回折面を設けたレンズの実施例について説明する。

図１１は、入射面に高次回折レンズ面を設けるとともに、出射面に色消し回折面を設けたレンズの設計結果例である。実施例１と同様にして、基本的に設計波長において図６に示した従来レンズの例と等価なレンズ作用をするようにし、合わせて他の波長において色消しを試みたものである。両面回折レンズ１１０１の入射面１１０２は、実施例１とまったく同じ、図４に示した波長５５０ｎｍにて設計した回折次数４０次の高次回折輪帯面である。入射面を固定したまま、出射面には１次回折光を用いる色消し用の回折面を設け、ベースとなる包絡面形状と合わせて、色消し条件で最適化した。非球面係数や位相関数の係数の定義や、用いる関数式は実施例１と同じである。

本実施例のレンズを用いた、自動車用ヘッドランプとしての性能評価結果については、ヘッドランプとしての実施例の説明の中で、他の実施例のレンズと共に合わせて説明する。

本実施例では、入射面に高次回折レンズ面を設けるとともに、出射面に色消し回折面を設けたレンズの実施例について説明する。

図１２は、入射面に高次回折レンズ面を設けるとともに、同じ入射面に、色消し回折レンズ面も合わせて設けた複合回折レンズの設計結果例である。実施例１と同様にして、基本的に設計波長において図６に示した従来レンズの例と等価なレンズ作用をするようにし、合わせて他の波長において色消しを試みた。複合回折レンズ１２０１の入射面１２０２には波長５５０ｎｍにて設計した回折次数４０次の高次回折レンズ面と、１次回折光を用いる色消し用の回折面を重畳している。実施例２と異なり、２つの回折面を１つの面に重畳して設計するため、２つの位相関数を同じ包絡面上に重ねている。これら２つの位相関数と包絡面形状、合わせて出射面非球面形状を、色消し条件で同時に最適化した。したがって、設計の自由度は実施例２よりも大きい条件である。非球面係数や位相関数の係数の定義や、用いる関数式は実施例１と同じである。

図１３に高次回折面と、色消し回折面の位相関数の値を示す。横軸は規格化半径、縦軸は位相関数値であり、実線が高次回折格子、破線が色消し回折格子である。中心部では多少逆転があるものの、基本的には高次回折格子の方が位相関数値が大きく、レンズ作用は大きいことがわかる。

しかし１次回折光を用いる色消し回折面を、高次回折面に重畳して設ける上では、高次回折面の輪帯内に、複数の色消し回折面の輪帯が含まれるようにして、１次回折光の干渉性を維持するようにする必要がある。図１４は高次回折面と色消し回折面の格子密度を規格化半径に対して示したものである。高次回折格子は位相関数値は大きかったものの、回折次数が４０次と大きいため、格子ピッチはそれほど細かくなく、格子密度は１０本／ｍｍ程度となっている。これに対して色消し回折格子の格子密度の絶対値は、高次回折格子よりも常に大きく、高次回折レンズの輪帯内に十分な本数の色消し回折レンズの輪帯を付加することができる。

このような複合回折格子の概念図を図１５に示す。図中、大きな段差は高次回折レンズの輪帯段差、小さい段差は色消し回折レンズの輪帯段差である。高次回折レンズの輪帯位置が、色消し回折レンズの輪帯位置と必ずしも一致しないが、あまり近い位置に２つの段差が近接すると金型加工が難しくなるので、一定以上に近い２つの段差は折衷的な位置に統合すればよい。

本実施例のレンズを用いた、自動車用ヘッドランプとしての性能評価結果については、ヘッドランプとしての実施例の説明の中で、他の実施例のレンズと共に合わせて説明する。

本実施例では、ＬＥＤ光源、リフレクタ、シェードと合わせたヘッドランプ光学系としての実施例を示し、上記各レンズの実施例のレンズを用いた、配光性能評価結果について説明する。

図１６は、本願の基本的なヘッドランプ光学系の構成図である。ＬＥＤ光源１６０１から放射される光は凹面リフレクタ１６０２の内面の鏡面によって反射、集光される。その集光位置近傍に照射する遠方の配光分布を反映したシェード１６０３と呼ばれる遮蔽物を配置し、それを通した光をレンズ１６０４によって前方に照射する。シェード１６０３はレンズの像面湾曲に合わせて湾曲させることで、照射される配光分布の明暗境界をできるだけ鮮鋭化する。

図１７は、実施例１のレンズ１７０４を用いた場合のヘッドランプ光学系の光線追跡結果例である。（ａ）が上面図、（ｂ）が側面図である。リフレクタ１７０２は、上面図の紙面内、すなわち光軸を通る水平面内方向では略放物面、側面図の紙面内、すなわち光軸を通る垂直面内方向では楕円面、となるようにすると、配光分布の明暗境界にあたる線上をほぼ均一に照射できる。

図１８は、図１７の光線追跡結果により２５ｍ遠方を照射したときの１６ｍ×４ｍエリアの光の強度分布である。（ａ）は濃淡画像、（ｂ）はその等高線図である。明暗の境界線が鮮明に投影されていることがわかる。ＬＥＤ光源は６ｍｍ×１．５ｍｍの蛍光型のものの光線分布測定結果をもとにシミュレーションをおこなった。（ｂ）の等高線図中のほぼ中央位置に上下に引いた線は、ここで以下の断面強度分布、色度分布の評価計算を行っていることを示す。

図１９は、元のレンズを用いた場合の、図１８の表示断面位置での光強度（右側縦軸、対数座標）と色度座標値（左側縦軸、線形座標）を断面方向座標に対して表示したものである。光は画面のほぼ中央高さでほぼゼロの値となるため、横軸のプロット範囲は−２ｍからほぼ０までとなっている。境界線近傍で光強度がすそを引いており、ＣＩＥ１９３１色度座標値がｘ＝０．１６、ｙ＝０．０２であり、青い色にじみが現れていることを意味している。

図２０は、実施例１の回折レンズの場合の、同様の結果である。ほぼ図１９と同等であり、元のレンズ等価な性能が得られていることがわかる。

図２１は、実施例２の出射面色消し回折レンズの場合の、同様の計算結果である。最終的に境界位置で青い色にじみは現れているものの、その幅は図１９、２０より小さくなっていることがわかる。同時に光強度のすそ引きも小さくなっており、青い色にじみの強度が小さいことがわかる。この結果から色消し作用があることがわかる。

一方、実施例３の入射面に重畳した場合２つの回折面を重畳した場合の評価結果は、白色ＬＥＤによる評価計算結果ではなく、４５０、５５０、６５０ｎｍの各単色光による断面強度分布の比較で示す。同じ評価は従来レンズ、色消しなし回折レンズ、出射面色消し回折レンズと合わせて示す。

図２２は、元のレンズを用いたときの図１８の表示断面位置での光強度（対数座標）をＹ方向断面位置に対して４５０、５５０、６５０ｎｍの各単色光にごとに示したものである。図１８の結果と同様に、青色の波長（４５０ｎｍ）で強度のすそを引いていて、青い色にじみがあることを示している。

図２３は、同様にして第１の実施例の色消し前の回折レンズのシミュレーション結果である。元のレンズと同様に青い色にじみがあることがわかる。

図２４は、同様にして第２の実施例の出射面色消し回折レンズのシミュレーション結果である。元のレンズ、および色消し前の回折レンズに比べて、青色波長の強度のすそが小さくなっており、色消しの効果が表れていることがわかる。

図２５は、同様にして第３の実施例の入射面色消し回折レンズのシミュレーション結果である。出射面色消し回折レンズと比べても、顕著にほぼ完全な色消しができていることがわかる。

本実施例では、レンズ中心部の高次回折レンズの回折次数を周辺部分より小さくし、格子ピッチを細かくして意匠性を向上する実施例について説明する。

実施例１の回折レンズにおいて、半径１０ｍｍ範囲の格子領域のみ、回折次数を４０次から２０次に変更した場合の、輪帯形状と包絡面形状との差分を、図２６に示す。図３と比較すると、中央部分のみ段差が約半分となり輪帯幅が狭くなっていることがわかる。回折次数２０次の領域と４０次の領域の接続は、接続点以降で、それぞれの次数の輪帯が均一に続いていると仮定した場合の接続点でのサグ量の差を、オフセットとして位相関数に加えて輪帯境界位置を決め直すことで、滑らかに接続することができる。

図２７は、サグのプロファイルの中心付近の拡大図である。段差が中央部分でのみ小さくなっていることがわかる。

このようにして、輪帯境界を目立たなくさせることでレンズの外観の意匠性を向上させることができる。

本願の回折レンズを自動車用ヘッドランプに用いることにより、従来の屈折レンズと等価なレンズをその光学性能を維持したまま薄型化することができ、量産性にすぐれた低コストで高性能で意匠性のあるレンズを提供することができる。

以上実施例で説明してきたように、レンズの成形時間の課題は、例えば、厚いレンズと同じレンズ作用を保ったまま薄くできるので、溶融した樹脂が成形機の中で冷却する時間が短縮され、生産性が向上する。

また、色にじみの課題は、上記の薄いレンズ１枚において色消し回折レンズを付加することで改善される。

また、波長による回折効率の低下の課題は、例えば、高次の回折レンズを用いることで改善される。

また、対向車の運転者の目を幻惑しない明暗境界を持った配光分布との両立の課題は、例えば、リフレクタ、シェードとの併用で解決できる。さらに中央部分のピッチが粗いことによる意匠性の低下は、中央部分の格子ピッチを細かくすることで改善できる。

以上をまとめるならば、従来の屈折レンズと等価なレンズをその光学性能を維持したまま薄型化することができ、量産性にすぐれた低コストで高性能で意匠性のあるレンズを提供することができる。またそれらを用いた自動車用ヘッドランプでは、装置の軽量化や小型化ができ、安価に高品質の光学装置を提供することが可能となる。

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

１０１ 実施例１の回折レンズ、
１０２ ＬＥＤ光源、
１０３ 入射面（第１面）、
１０４ 出射面（第２面）、
５０１ 入射面（第１面）、
５０２ 出射面（第２面）、
６０１ 実施例１の回折レンズが同等のレンズ作用を有する元の通常レンズ、
１１０１ 実施例２のレンズ
１１０２ 入射面（第１面）、
１１０３ 出射面（第２面）、
１１０４ ＬＥＤ光源、
１２０１ 実施例３のレンズ
１２０２ 入射面（第１面）、
１２０３ 出射面（第２面）、
１２０４ ＬＥＤ光源、
１６０１ ＬＥＤ光源、
１６０２ リフレクタ
１６０３ シェード
１６０４ レンズ
１７０１ ＬＥＤ光源
１７０２ リフレクタ
１７０３ シェード
１７０４ 実施例１のレンズ

Claims (6)

1. 車載用灯具に用いられる回折レンズであって、
   前記回折レンズの光の入射面が凹面であり、前記凹面には、前記車載用灯具に用いられる光源の波長スペクトル範囲内のある波長の光に対して回折次数の絶対値が５次以上の回折次数で回折効率を最大化する段差のある輪帯構造を持った第1の回折レンズ面が形成されており、出射面は凸非球面であることを特徴とする回折レンズ。
2. 前記回折レンズの出射面側に、前記光源の波長スペクトル範囲内のある波長の光に対して回折次数の絶対値が２次以下の回折次数で回折効率を最大化する段差のある輪帯構造を持った第２の回折レンズ面が形成されている、請求項１に記載の回折レンズ。
3. 前記回折レンズの入射面側の前記第1の回折レンズ面に重畳して、前記光源の波長スペクトル範囲内のある波長の光に対して回折次数の絶対値が２次以下の回折次数で回折効率を最大化する段差のある輪帯構造を持った第２の回折レンズ面が形成され、第２の回折レンズの格子ピッチは、全域にわたって、第１の回折レンズの格子ピッチより短いことを特徴とする、請求項１に記載の回折レンズ。
4. 前記回折レンズの第1の回折レンズの回折次数の絶対値が入射面中央部において周辺部よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の回折レンズ。
5. 光源と、
   前記光源からの光を反射して集光する凹面リフレクタと、
   前記凹面リフレクタで集光する光を一部遮蔽するシェードと、
   前記一部遮蔽された光を前方に投射する請求項１から４のいずれかに記載の回折レンズと、
   を含むことを特徴とする車載用灯具。
6. 前記凹面リフレクタは水平方向に放物面形状、垂直方向に楕円面形状を有することを特徴とする請求項５に記載の車載用灯具。

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