JP2017107831A - 照明装置およびそれを用いた走行体 - Google Patents

Abstract

【課題】照射方向の長さが十分に長いラインビームを形成することができる照明装置を提供することを目的とする。【解決手段】直線状に複数の発光器が配列された光源１００と、一定の曲率の出射面を奇数次関数で補正したレンズ１０１とを用い、照射面１０２側の光源端と照射面１０２との距離を、レンズ中心１２３と照射面１０２との距離より長くして配置することにより、照射面１０２に光源１００の形状を結像することで、照射方向の長さが十分に長いラインビーム１０７を形成することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、照射面に照明を行う照明装置およびそれを搭載した走行体に関する。

従来の照明装置としては、照射幅を細くし、遠近方向に照射面を長くしたラインビームを形成する照明装置がある。この照明装置には、光源に半導体レーザを用いて、ロッドレンズで照射光をライン状にするものがある。図２８は、特許文献１に記載された照明装置を示す。

図２８において、レーザ光源１からの射出光は、レンズ２およびレンズ３で構成されるコリメートレンズ４で、ほぼ平行光化され、小さい円形の光線となる。そして、一方向において出射面側の曲率が一定のロッドレンズ５で一方向のみ光は広げられ、照射面６上に、細いラインビーム７が形成されている。

特開２００８−１０７１３０号公報

しかしながら、レーザ光を用いた照明装置では、光源側に近い照射面に十分な照射を行うことができない場合がある。
本発明は、従来の課題を解決するもので、照射方向の長さが十分に長いラインビームを形成できる照明装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一実施形態である照明装置は、照射面上にラインビームを形成する照明装置であって、一方向に配列される複数の発光器から構成される光源と、前記光源から光が照射される方向に配置されて入射面または射出面の少なくともいずれかが曲面であるレンズとを有し、曲面である前記入射面または前記射出面の少なくともいずれか一方の前記発光器の配列方向を含む断面の輪郭形状が、曲率が一定の曲線に奇数次関数で表される曲線が加えられる形状であり、前記光源から射出される前記光が前記レンズで屈折されて前記照射面に照射されてラインビームが形成されることを特徴とする。

また、本発明の一実施形態である走行体は、前記照明装置が搭載され、路面に前記ラインビームを形成することを特徴とする。

この構成によると、直線状に複数の発光器が配列された光源と、一定の曲率の出射面を奇数次関数で補正したレンズとを用い、照射面側の光源端と照射面との距離を、レンズ中心と照射面との距離より長くして配置することにより、照射面に光源の形状を結像することで、照射方向の長さが十分に長いラインビームを形成することができる。

本発明の実施の形態１における照明装置の模式図 本発明の実施の形態１における照明装置の光源とレンズの構成を例示する図 比較例の照明装置の光源と照射面との結像関係を示す図 本発明の実施の形態１におけるレンズの形状の一例を説明する図 本発明の実施の形態１におけるレンズの形状の一例を説明する図 本発明の実施の形態１におけるレンズのｘ’ｗ断面における３次関数成分を示す図 図６のグラフの傾きを示す図 本発明の実施の形態１におけるレンズによる光線方位の変化を説明する図 本発明の実施の形態１の照明装置におけるレンズと射出光線の関係を説明する図 従来の照明装置における観察面での照度分布を示す図 本発明の実施の形態１における観察面での照度分布を例示する図 本発明の実施の形態１におけるラインビームの照度分布を例示する図 本発明の実施の形態２における照明装置を搭載した自動車を上方から見た平面図 本発明の実施の形態２における自動車を（ａ）上方から見た平面図と（ｂ）正面から見た図 本発明の実施の形態３における自動車を上方から見た平面図 本発明の実施の形態４における自動車の制御装置の構成図 本発明の実施の形態４における制御装置の制御状態を示し、（ａ）周囲が明るい場合、（ｂ）周囲がやや暗い場合、（ｃ）周囲が更に暗い場合の各発光器の発光光量を示す図 本発明の実施の形態５における自動車の制御装置の構成図 本発明の実施の形態５における制御装置の制御状態を示し、（ａ）自動車が水平姿勢の場合、（ｂ）自動車の前部が下がる方向に傾斜した姿勢の場合、（ｃ）自動車の前部が上がる方向に傾斜した姿勢の場合の各発光器の発光光量を示す図 本発明の実施の形態５における（ａ）自動車が水平姿勢の場合のラインビームと（ｂ）自動車の前部が下がる方向に傾斜した姿勢の場合のラインビームおよび（ｃ）自動車の前部が上がる方向に傾斜した姿勢の場合のラインビームを示す図 本発明の実施の形態６における照明装置のレンズの形状の一例を説明する図 図４に示したレンズの射出面に加える２次関数形状を示す図 本発明の実施の形態６における（ａ）観察面での照度分布図と（ｂ）ライン遠方端１０８付近におけるＣ−ＣＣライン上の光強度を示す図 本発明の実施の形態７におけるレンズの形状の一例を説明する図 本発明の実施の形態７におけるレンズのｙｗ断面におけるレンズの形状を説明する図 本発明の実施の形態７におけるレンズのｙｗ断面における奇数次関数成分を示す図 本発明の実施の形態７における（ａ）観察面１０４の射出光分布図と（ｂ）Ｄ−ＤＤラインでの光強度分布図および（ｃ）２つの照明装置１０６をエッジが外側に向くように配置したときの観察面１０４での光強度分布図 特許文献１に記載されたライン照明装置を示す図

以下、本発明の各実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
なお、同様の作用を成すものには同一の符号を付けて説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における照明装置の模式図であり、照明装置と照射光とを示す断面図および上面図である。

図１において、ｘ軸を紙面上方向、ｙ軸を紙面奥行き方向、ｚ軸を紙面右手方向とする。図１の断面図はラインビームを形成する照明装置１０６をｙ軸方向から見た図であり、図１の上面図はｘ軸方向から見た照明装置１０６と照射面１０２上の照射光であるラインビーム１０７を示す。

図１において、１００は光源であり、例えば発光ダイオード（以下、ＬＥＤと称す）等の直進性の高い発光器からなる。光源１００は、例えば複数のＬＥＤがｘｚ断面内で、ほぼｘ軸方向に近接して配列される。隣接する発光器は互いに接して配列されても良いし、ラインビーム１０７の明暗が大きくならない範囲で間隔を空けて配列されても良い。また、発光器は一列に配列されても良いし、互いにほぼ平行に複数列に配列されても良い。

１０１は、光源１００の射出光を入射光とし、射出光線１０５を射出し、照射面１０２にラインビーム１０７を形成するレンズである。レンズ１０１は、透光性を有する材質でガラスや、透光性を有するアクリルやポリカーボネートなどの樹脂である。１０２はｙｚ面とほぼ平行な平面である。１０３は、レンズ１０１のレンズ中心１２３を通る水平面で、ｙｚ面と平行である。１０４は、レンズ１０１の射出光線１０５を観察するための観察面である。

このように照明装置１０６は光源１００とレンズ１０１より構成されている。
ラインビーム１０７は、レンズ１０１より射出された射出光線１０５が照射面１０２を照明して形成され、ｚ軸方向に細長いライン状となる。１０８は、ラインビーム１０７のライン遠方端、すなわち、ラインビーム１０７のｚ軸正方向の端部を示す。１０９は、ラインビーム１０７のライン近傍端、すなわち、ラインビーム１０７のｚ軸負方向の端部を示す。ラインビーム１０７は、ライン遠方端１０８からライン近傍端１０９までの長さとなる。

図２は照明装置１０６の光源１００とレンズ１０１の構成を例示する図であり、ｙ軸方向から見た断面図と、ｘ軸方向から見た上面図を示す。
１２０は、レンズ１０１の入射面であり、光源１００から出射した射出光が入射する。入射面１２０の形状は、レンズ中心軸１２２に対し回転対称な非球面形状である。レンズ中心軸１２２は、レンズ１０１の入射面１２０のレンズ面の頂点と、射出面１２１のレンズ面の頂点を結ぶ軸である。レンズ中心１２３は、入射面１２０のレンズ面の頂点と射出面１２１のレンズ面の頂点とのほぼ中間に位置する。

レンズ１０１の入射面１２０から入射した光を射出する射出面１２１は、レンズ中心軸１２２および光源１００の配列方向を含むｘｚ断面に形成される曲率が一定の円弧で表される線分に対して、奇数次関数で表される線分によって補正される輪郭形状を備える。例えば、射出面１２１は、曲率が一定でレンズ中心軸１２２を中心とする回転対称図形に対して、ｘｚ断面において奇数次関数を用いて補正した回転非対称形状である。奇数次関数は、１次、３次，５次、７次、．．．、の関数の線形結合であり、奇数次関数をｆ（ｘ）とし、奇数次の係数をそれぞれ、１次の係数をａ１、３次の係数をａ３、５次の係数をａ５とすると、
ｆ（ｘ）＝（ａ１）×ｘ＋（ａ３）×ｘ＾３＋（ａ５）×ｘ＾５＋．．．
で表される。なお、記号＾は、累乗を示し、たとえば、ｘ＾３＝ｘ×ｘ×ｘである。奇数次関数としては３次関数が好ましく、以下の説明では、奇数次関数として３次関数を例に説明する。

ここで、回転対称図形を奇数次関数を用いて補正した射出面１２１とは、曲率が一定な回転対称図形であるレンズのｘｚ断面における輪郭の形状をｘｚ軸における２次関数として表し、これにｘｚ軸における奇数次関数を加えた関数をｘｚ断面における輪郭の形状として有する射出面１２１である。原点を通りｘに対するｚの奇数次関数として表されるとすると、奇数次関数はｚの正の領域でｘの値は負になり、ｚの負の領域でｘの値は正となる。これを曲率が一定の輪郭形状を表す２次関数に加えると、射出面１２１の輪郭形状は、ｘ軸の正の領域では曲率が大きくなり、軸の負の領域では曲率が小さくなる。なお、補正の元となるレンズの輪郭図形は、回転対称図形であることに限らず、光源１００の配列方向とレンズ中心軸１２２とを含むｘｚ断面における輪郭形状が、曲率が一定の円弧図形となっていれば良い。

このように、ｘ軸の正側で射出面１２１の曲率が大きくなるレンズ１０１を用い、光源１００の照射面１０２からの高さをレンズ１０１のレンズ中心１２３を通る水平面１０３より高い位置、つまりｘ軸の正の方向にすることにより、曲率が一定のレンズを用いる場合に比べて、ラインビーム１０７のライン近傍端１０９を光源１００に近づけることができる。

なお、奇数次関数として３次関数を用いることにより、ｘの値がｚ軸の０から離れる程に指数対数的に大きくなる。そのため、射出面１２１の曲率をレンズ面の頂点から離れる程に大きな割合で大きくすることができ、ラインビーム１０７のライン近傍端１０９を光源１００により近づけることができる。よって、奇数次関数として３次関数を用いることが好ましい。つまり、射出面１２１は、少なくともレンズ面の頂点より上部において、レンズ面の頂点から離れるほど曲率が大きくなることを特徴とし、曲率の変化率はレンズ面の頂点から離れる程大きくなることが好ましい。ここで、射出面１２１の頂点から遠い領域のみの曲率を大きくすることで、光源１００に近い領域のラインビーム１０７を伸ばすことができるが、ラインビーム１０７の長さ方向における光量の変化が大きくなりすぎるため、奇数次関数で補正した射出面１２１を用い、曲率を徐々に変化させる構成とすることが好ましい。回転対称形状のレンズでは、ｘ軸方向だけでなく、ｙ軸方向にもビームが広がってしまい、ラインビーム１０７の照度が低下してしまう。奇数次関数で、必要な方向のみ、すなわち、光源１００に近い領域側へのみラインビーム１０７を伸ばすことで、照度の高いラインビーム１０７を形成できる。

光源１００をレンズ中心１２３より高い位置に設けているため、射出面１２１の頂点よりｘ軸正方向のみから射出光線１０５は出力する。そのため、奇数次関数による補正は射出面１２１の頂点よりｘ軸正方向の部分のみに行っても良い。

図２において、１１１，１１２，１１３，１１４，１１５は、それぞれ、光源１００を構成する発光器の例であるＬＥＤであり、この順で、ｘ軸負方向から正方向に一直線状になるようにして隣接して配置される。ＬＥＤ１１１からＬＥＤ１１５それぞれのｚ軸方向の光射出面の形状は長方形である。

ＬＥＤ１１１からＬＥＤ１１５の射出光量は、ＬＥＤ１１１からＬＥＤ１１５側に行くほど（照射面１０２である地面に近づくほど）、順に小さくなるか、等しくなるように設定することもできる。すなわち、
ＬＥＤ１１１の光量 ≧ＬＥＤ１１２の光量 ≧ＬＥＤ１１３の光量 ≧ＬＥＤ１１４の光量 ≧ＬＥＤ１１５
の光量としても良い。

また、ＬＥＤの発光面の面積である発光サイズを、ＬＥＤのｚ軸方向の光射出面におけるｘｙ面の照射面の大きさとすると、ＬＥＤ１１１からＬＥＤ１１５の発光サイズは、ＬＥＤ１１１からＬＥＤ１１５側に行くほど（照射面１０２である地面から遠ざかるほど）、大きくなるか、等しくなるように配置することもできる。すなわち、
ＬＥＤ１１５の発光サイズ ≧ＬＥＤ１１４の発光サイズ ≧ＬＥＤ１１３の発光サイズ ≧ＬＥＤ１１２の発光サイズ ≧ＬＥＤ１１１の発光サイズ
としても良い。

照射面１０２から、光源１００の照射面１０２側の端、すなわち、ＬＥＤ１１１の照射面１０２側の端とのｘ軸方向の距離をｓ１とし、照射面１０２からレンズ中心１２３までのｘ軸方向の距離をｓ２とすると、ｓ１はｓ２より大きくなるように配置される。すなわち ｓ１＞ ｓ２ である。

図２において、レンズ射出面側に座標軸ｘ’ｙｗを設定する。レンズの射出面１２１のレンズ面頂点を座標軸の原点Ｏとし、ｗ軸はレンズ中心軸１２２と平行であり、向きはｚ軸と逆方向にとったものである。ｘ’軸は、ｘｚ断面内にあり、レンズ中心軸１２２と垂直で、ｘ軸正方向を正方向とする軸である。ｘ’軸，ｗ軸は後の説明で用いる。図２の上面図において、光源１００は、レンズ中心軸１２２上に配置される。

次に、光源１００およびレンズ１０１によって照射面１０２に形成されるラインビームについて説明する。最初に、レンズ１０１が３次関数で補正されていないレンズであるとき、すなわち、レンズがレンズ中心軸１２２回りに回転対称形状のときについて説明する。

図３は比較例のライン照明装置の光源と照射面との結像関係を示す図であり、図１の断面図と同様にライン照明装置のｘｚ断面を示す。図が煩雑になるためレンズ形状を省略している。図３において、図１，図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

レンズ中心軸１２２方向におけるＬＥＤ１１１のｘ軸負方向の端とレンズ中心１２３との距離をａ２とする。ＬＥＤ１１１のｘ軸負方向の端とレンズ中心１２３を通り、照射面１０２との交点はライン遠方端１０８であり、レンズ中心軸１２２方向におけるライン遠方端１０８とレンズ中心１２３との距離をｂ２とする。

同様に、レンズ中心軸１２２方向におけるＬＥＤ１１５のｘ軸正方向の端とレンズ中心１２３との距離をａ１とする。ＬＥＤ１１５のｘ軸正方向の端とレンズ中心１２３を通り、照射面との光源をライン近傍端１１０とし、レンズ中心軸１２２方向におけるライン近傍端１１０とレンズ中心１２３との距離をｂ１とする。ライン近傍端１１０は、図１で説明したライン近傍端１０９よりｚ軸正方向にある。すなわち、レンズ１０１に３次関数が含まれないとき、ラインビーム１１７の長さは短い。

レンズの焦点距離をｆとすると、レンズ結像公式
１／ｆ ＝１／ａ１ ＋ １／ｂ１ （式１）
および、
１／ｆ ＝１／ａ２ ＋ １／ｂ２ （式２）
となるように、距離ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２を定めることで、光源１００が照射面１０２に結像投影される、すなわち、鮮明なラインビームを形成することができる。

このとき、ＬＥＤ１１１を出射した光がライン遠方端１０８を形成し、ＬＥＤ１１５を出射した光がライン近傍端１１０を形成する。ＬＥＤ１１１のｘ軸方向の端と照射面１０２との距離ｓ１は、レンズ中心１２３と照射面１０２との距離ｓ２より大きくなるように設定しているので、ＬＥＤ１１１のｘ軸負方向の端とレンズ中心１２３を通るラインは、必ず照射面１０２と交わることになる。すなわち、水平面１０３より上方向に光は出ない。ＬＥＤ１１１から出射する光はライン遠方端１０８を形成し、ＬＥＤ１１２，ＬＥＤ１１３，ＬＥＤ１１４，ＬＥＤ１１５の光は、それより光源１００側、すなわちｚ軸負方向の照射面１０２上に照射されるので、レンズ１０１からの射出光線１０５は、全て照射面１０２上に投影されることになる。

ｂ２＞ｂ１なので、（式１）（式２）より、ａ２＜ａ１となり、ｘｚ断面において、ＬＥＤ１１１側がレンズに近く、ＬＥＤ１１５側がレンズから遠くなるような配置となる。つまり、レンズ中心軸１２２方向において、ＬＥＤ１１５とレンズ１０１のレンズ中心１２３との距離は、ＬＥＤ１１１とレンズ１０１のレンズ中心１２３との距離より大きくなるようにＬＥＤ１１１とＬＥＤ１１５とを配置している。

ラインビーム１１７の幅、すなわち、ｙ軸方向の照射幅は、ライン遠方端１０８において、ＬＥＤ１１１のｙ軸方向の幅がｂ２／ａ２倍されたものとなる。同様に、ライン近傍端１１０において、ＬＥＤ１１５のｙ軸方向の幅がｂ１／ａ１倍されたものとなる。

以上の配置で、ライン遠方端１０８からライン近傍端１１０までのラインビーム１１７が形成されるが、ラインビーム１１７の長さは光源１００を照射面１０２に結像しているので、ラインビーム１１７の長さは光源１００のｘ軸方向に配列した長さで制限される。

次に、レンズ１０１の射出面１２１に３次関数を加えることで、ラインビーム１０７を長くすることについて説明する。
図４〜図８は本発明の実施の形態１におけるレンズ１０１の射出面１２１のレンズ形状を説明する図である。図４はレンズ１０１のｘ’ｗ断面を示し、図５はレンズ１０１のｙｗ断面を示す。図６はレンズ１０１のｘ’ｗ断面における３次関数成分を示し、図７は図６のグラフの傾き、すなわち、微分値を示す。図８はレンズ１０１による光線方位の変化を説明する図である。

図４において、１３０は、図２のレンズの射出面１２１のｘ’ｗ断面のレンズ形状を示し、ｗｘ’断面上の輪郭形状で表現している。１３１は、レンズ形状１３０から３次関数成分をのぞいた射出面の曲率が一定の回転対称成分のレンズ形状を示し、同じくｗｘ’断面上の輪郭形状で表現している。このレンズ形状１３１は図５に示すレンズの射出面１２１のｙｗ断面と同じ形状である。

図６において、１３２は、図４のレンズ形状１３０から回転対称形状であるレンズ形状１３１を引き算した形状で、ｗとｘとからなる３次関数で表される。この３次関数１３２は、原点Ｏにおいて、接線がｘ’軸とほぼ平行であり、ｘ’軸正方向に行くに従い徐々にｗの値が大きくなり、ｘ’軸負方向に行くに従い、徐々にｗの値が小さくなる。

３次関数で補正されたレンズ形状１３０から射出する光線は、回転対称形状のレンズ形状１３１に対して、３次関数１３２の影響をうける。３次関数１３２による光線の方位変化は、３次関数１３２の傾きに比例して方位が変化する。ここで、図８を用いて、ｘ’ｗ面内での面の傾斜による光線方位の変化について示す。

図８では、原点Ｏにおいて射出面がｘ’軸であり、ｗ軸方向に屈折率ｎの透光性を有する材質の物体があるとし、この物体が、原点Ｏ回りで反時計回りに回転、すなわち、正の傾きで、射出面１３４となったときの、射出光線１３５の方位の変化を示す。

射出面１３４となったとき、射出光線１３５の入射角をα、射出角をβとすると、スネル則より、ｎ×ｓｉｎ（α）＝ｓｉｎ（β）であり、一般に透光性を有する材質の屈折率ｎは１より大きいので、β＞αとなる。よって光線方位の変化γは、γ＝β―α＞０となり、光線方位はｘ’軸負方向に変化することになる。

図７に示すように、３次関数の傾き成分１３３のｗの値は、原点近傍は０に近い値で、原点から離れると正の値となる。よって、レンズ形状１３０からの射出光線１３５は、一方向、この場合は、ｘ’負方向に方位が変化する。ｘ’負方向への方位変化は、図２および図３において、ｙ軸回りに時計回りに回転する方向であり、ラインビーム１０７（図１参照）が光源１００側へ伸びる方向である。３次関数の傾き成分１３３は、原点近傍で０に近い値で、射出光線の方位変化には寄与しない成分があるので、図３におけるラインビーム１１７のライン遠方端１０８の位置は図１におけるラインビーム１０７のライン遠方端１０８の位置と変わらず、図３におけるライン近傍端１１０が光源１００側に図１におけるライン近傍端１０９まで伸びることになる。

次に、図９を用いて実施の形態１におけるレンズと射出光線について説明する。
図９は本発明の実施の形態１のライン照明装置におけるレンズと射出光線の関係を説明する図である。

レンズ１０１の射出面１２１は、曲率が一定のレンズ形状１３１を３次関数で補正されており、射出面１２１の頂点からｘ軸正方向に離れるに従い徐々に曲率が大きくなる形状である。ＬＥＤ１１１を出射した射出光線１１８は射出面１２１の頂点近傍で屈折され、頂点近傍ではレンズ形状１３１と射出面１２１との曲率の差は小さいので、レンズ形状１３１となる曲率が一定のレンズと射出面１２１となるレンズ１０１からの射出光線１１８はほぼ同じとなる。射出光線１１８が照射面１０２に照射される位置はライン遠方端１０８となる。ＬＥＤ１１５を出射した射出光線１１９は、レンズ形状１３１となる曲率が一定のレンズで屈折され照射面１０２に照射される。同じく、ＬＥＤ１１５を出射した射出光線１１６は、レンズ１０１で屈折され照射面１０２に照射される。このとき、射出光線１１９が通過するレンズ形状１３１となる曲率が一定のレンズの曲率と、射出光線１１６が通過する位置でのレンズ１０１の射出面１２１の曲率では、射出面１２１の曲率の方が大きい。そのため、射出光線１１９より射出光線１１６の方が大きな角度で屈折する。これにより、射出光線１１９が照射面１０２に照射される位置であるライン近傍端１１０より、射出光線１１６が照射面１０２に照射される位置であるライン近傍端１０１９の方が光源に近くなる。つまり、ＬＥＤ１１１〜１１５で照射されるラインビームは、曲率が一定のレンズで屈折させた場合より、本発明の例であるレンズ１０１で屈折させた場合の方が光源に近い方向に伸びる。

図１０は従来のライン照明装置における観察面での照度分布を示す。図１１は本発明の実施の形態１における観察面における照度分布で、図１のレンズ１０１とライン近傍端１０９との間に配置した観察面１０４での照度分布を示す。

比較例の図１０は、レンズの射出面が図５のレンズ形状１３１のように回転対称形状のときの照度分布１４０を示している。
これに対して実施例の図１１は、レンズ１０１のレンズの射出面１２１が図４のレンズ形状１３０のように３次関数で補正されたときの照度分布１４１を示す。このようにレンズの射出面１２１に３次関数を入れることで、ｘ軸負方向に照度分布が長くなり、かつ、ｘ軸正方向には照度分布は伸びないので、水平面１０３より上には光が照射されないようにできる。

図１２は本発明の実施の形態１におけるラインビーム１０７の照度分布を例示する図であり、図２に示すＬＥＤ１１１〜１１５それぞれが単独で照射したビームの照射面１０２における個別照度変化１５１〜１５５および、図１に示すラインビーム１０７のｚ軸方向における全体照度変化１５６を示す。

図１，図２，図１２に示すように、個別照度変化１５５は、ＬＥＤ１１５による照度の変化を示す。個別照度変化１５４はＬＥＤ１１４による照度の変化を示す。個別照度変化１５３はＬＥＤ１１３による照度の変化を示す。個別照度変化１５２はＬＥＤ１１２による照度の変化を示す。個別照度変化１５１はＬＥＤ１１１による照度の変化を示す。全体照度変化１５６は、ＬＥＤ１１１からＬＥＤ１１５まですべてを点灯したときの照度の変化を示す。

光源１００から遠いほど、すなわち、ｚ軸正方向ほど、射出光線１０５は広がるため、ラインビーム１０７の幅が広くなるので、照度は低下することになるが、ＬＥＤ１１１からＬＥＤ１１５の光量を調整し、ＬＥＤ１１５からＬＥＤ１１１にかけて、順に光量を大きくすることで、ｚ軸正方向の照度低下を低減でき、遠方まで明るいラインビーム１０７を形成することができる。また、ｙ軸方向におけるＬＥＤ１１１からＬＥＤ１１５の幅をＬＥＤ１１５からＬＥＤ１１１の順に幅を小さくすることで、ｚ軸正方向におけるラインビーム１０７のｙ軸方向の幅を狭くすることができ、細くて視認性のよいラインビームを形成できる。

以上のように、少なくとも２個以上のＬＥＤを直線状に配列した光源と、３次関数で補正されて出射面の曲率が照射面からはなれる程に徐々に大きくなるレンズを用い、照射面側の光源端と照射面との距離をレンズ中心と照射面との距離より長くして光源とレンズとを配置し、照射面に光源のＬＥＤ形状を結像することで、細くて視認性のよいラインビームを形成することができる。

なお、光源１００は、青色ＬＥＤに蛍光体を塗布して出射光を白色としたもの、あるいは、蛍光体を用いない青色、赤色、緑色などを配列しても良く、ＬＥＤに限らず直進性の高い発光器を配列しても良い。ただし、発光器として半導体レーザを用いた場合、半導体レーザは熱による発光効率の低下が大きく、レーザ光は人体に悪影響を与える可能性があるため、熱耐性と安全性の観点から発光器としてＬＥＤを用いることが好ましい。

なお、照射面１０２は平面としたが、わずかな凹凸や、曲面があってもよい。
なお、奇数次関数として、３次関数としたが、１次以上の奇数次係数の線形結合である奇数次関数を用いてもよい。奇数次関数の１次関数は、レンズ１０１のｘ軸方向の変位と同じ効果となるので、奇数次関数としては、３次以上としてもよい。

なお、奇数次関数をレンズ１０１の射出面１２１に与えたが、入射面１２０と射出面１２１の両方、あるいは、入射面１２０のみに与えてもよい。
なお、レンズ１０１は、単レンズとしたが、２枚以上の組レンズとしてもよい。組レンズとすることで、レンズ１０１のｚ軸方向の厚みを薄くすることができるが、空気とレンズとの界面が増え表面反射が増えるので、光源１００の光量が同じときは、照射面１０２上のラインビーム１０７の照度が若干低下することになる。

なお、本実施の形態では、レンズの射出面１２１を３次関数で補正し、照射面へのラインビームを光源側にのみ伸ばしたが、偶数次の関数で、光源側だけでなく、遠方側へもラインビームを伸ばしてもよい。ただし、両側にラインビームが伸びるので、ラインビームの照度は低くなる。そのため、偶数次関数で補正する場合は、レンズの頂点より上で射出光線を屈折させることがより重要になる。

なお、光源１００におけるＬＥＤの数は、５個に限定されるものではなく複数個であれば良い。なお、光源１００におけるＬＥＤは、全部が常に点灯する必要はなく、１個ごとに点灯するなどして照射面上で破線状の照明を行ってもよい。なお、光源１００のＬＥＤのｚ軸方向の光射出面の形状を長方形としたが、正方形でもかまわない。また、ラインビーム１０７のｚ軸方向に照度ムラが多少出てもよければ円形や、多角形形状にしてもよい。

また、上記説明ではＬＥＤをｘ軸方向に配列し、レンズ１０１の曲率をｘ軸方向で変化させて、レンズ１０１からの遠近方向のラインビームの長さを長くしたが、ＬＥＤをｙ軸方向に配列し、レンズ１０１の曲率をｙ軸方向で変化させて、レンズ１０１の照射光を幅方向に長くすることもできる。さらに、ＬＥＤを格子状に面配列し、レンズ１０１の曲率をｘ，ｙ両軸方向で変化させて、ラインビームに限らず、遠近および幅方向において照射領域を広くすることもできる。

（実施の形態２）
図１３は実施の形態１の照明装置１０６を走行体としての自動車に搭載した状態を示す。

図１３において、１５０は走行体としての自動車であり、自動車１５０の車体の前部Ｆと後部Ｂの内の、前部Ｆに照明装置１０６を配置している。１５７は道路の中央分離帯である。２つのラインの照明装置１０６により平行なラインビーム１０７およびラインビーム１５８が形成される。照明装置１０６の中央分離帯１５７側のラインビーム１５８は、反対側のラインビーム１０７より短くなるように配置される。

中央分離帯１５７側のラインビーム１５８の長さを短くすることで、対向車へ光を照射しにくくできる。また、ラインビーム１５８の長さを短くすることで、照射する面積が減るので、照度を上げることができる。

なお、図１４に示すように、照明装置１０６を自動車の中心から外側に向けてｚ軸回りに回転させて、照明装置１０６より外側に向けて射出光線１０５を射出し、照射面１０２にラインビーム１０７，１５８を形成してもよい。これにより、自動車１５０の車幅より広い平行なラインビーム１０７，１５８を形成できる。

なお、走行中の路面（照射面１０２）を車載のカメラで撮影して路面情報を取得する場合には、照明装置１０６，１０６によるほぼ平行な２本のラインビーム１０７，１５８を、カメラで路面情報を取得するときの基準線として用いてもよい。

（実施の形態３）
図１５は本発明の実施の形態３を示す。
自動車１５０の前部Ｆと後部Ｂの内の、後部Ｂの両側に照明装置１０６を配置している。自動車１５０の後部Ｂ、すなわち、ｚ軸負方向に配置している点が実施の形態２と異なる点である。

実施の形態３においては、自動車１５０が後進するときに照明装置１０６を点灯し、路面にラインビーム１０７を形成することで、後進方向における自分の車の通過位置の目安になり、後進操作を行いやすくすることができる。

なお、自動車１５０の後部Ｂに配置する照明装置１０６の発光色を、自動車１５０の前部Ｆに配置する照射装置１０６の発光色と異なる色とすることで、歩行者あるいは、他の自動車のドライバーに対して、自動車の前進、後進がわかりやすいようにしてもよい。

なお、照明装置１０６は、自動車１５０の後部Ｂおよび前部Ｆの両方に取り付けてもよい。
このラインビーム１０７の点灯時期は、自動車が後進する時だけ点灯させ、前進するときは消灯させる。後方へのラインビーム１０７は、後続車や歩行者への警告用に有効だけでなく、自動車の運転手が後進するときの自車の車幅を認識するのに役立つ。

（実施の形態４）
図１６と図１７は、本発明の実施の形態４を示す
この実施の形態４は、図１の照射装置１０６において、図１の光源１００の発光光量を、自動車１５０の周囲の明るさに応じて変化させることで、ラインビーム１０７の視認性を向上させるものである。

すなわち、自動車１５０の周囲が明るいときは、図１のラインビーム１０７を明るくし、逆に自動車１５０の周囲が暗いときは、ラインビーム１０７が明るくなりすぎないように光量を適度に低下させ、視認性をよくする。

図１６において、２００は光源点灯制御回路で、光源１００へ電流を供給し、光源１００を光らせる。２０１は照度センサであり、自動車１５０の周囲の明るさを計測する。照度センサ２０１で計測された明るさに応じて、光源点灯制御回路２００により光源１００の発光光量が制御される。周囲が明るいときは、図１７（ａ）に示すように、光源１００のすべてのＬＥＤ１１１〜１１５の発光光量を多くし、周囲が暗くなるにし従い、図１７（ｂ）のように、光源１００すべてのＬＥＤ１１１〜１１５の発光光量を、図１７（ａ）の場合よりも低下させる。図１７（ｂ）の場合よりもさらに周囲が暗くなった場合には、図１７（ｃ）のように、光源１００すべてのＬＥＤ１１１〜１１５の発光光量を、図１７（ｂ）の場合よりも更に低下させる。

このように、周囲の明るさに応じて図１のラインビーム１０７の明るさを変えることで、ラインビーム１０７の視認性を向上させることができる。
光源点灯制御回路２００は、自動車１５０の前部Ｆの照明装置１０６の光源１００へ電流供給を制御するもの、または、自動車１５０の後部Ｂの照明装置１０６の光源１００へ電流供給を制御するもの、あるいは、自動車１５０の前部Ｆの照明装置１０６と後部Ｂの照明装置１０６の光源１００へ電流供給を制御するものである。

なお、照度センサ２０１の代わりに、図１における照射装置１０６をｙ軸回りの角度を機械的に変更する機構を設け、これを速度メータと連動して制御するように光源点灯制御回路２００を構成することによって、自動車１５０の速度が速いときにはラインビーム１０７の長さを、自動車１５０の速度が遅いときのラインビーム１０７の長さよりも長くし、自動車１５０の速度が遅いときにはラインビーム１０７の長さを、自動車１５０の速度が早いときのラインビーム１０７の長さよりも短くするようにしてもよい。

なお、実施の形態２の図１４で説明されているｚ軸回りの回転についても、自動車の速度メータと連動させることにより、速度が速いときほどラインを長くし、遅いほどラインを短くすることは視認性向上に有効である。

（実施の形態５）
図１８，図１９（ａ）（ｂ）（ｃ），図２０（ａ）（ｂ）（ｃ）は実施の形態５を示す。

実施の形態４では照度センサ２０１と光源点灯制御回路２００を設け、光源１００の発光光量を、自動車１５０の周囲の明るさに応じて変化させたが、この実施の形態５では、傾きセンサと光源点灯制御回路を設け、光源の発光光量を、自動車の傾きに応じて変化させる点が異なっている。

図１８において、２０２は、図１３の自動車１５０に配置され、自動車１５０の傾きを検出する傾きセンサである。傾きセンサ２０２の計測値は、光源点灯制御回路２００に入力され、傾き計測値に応じて、光源１００のＬＥＤ１１１〜１１５の発光光量を制御する。

傾きセンサ２０２が水平を示すとき、光源１００の複数のＬＥＤ１１１〜１１５の各発光量を、路面に近いＬＥＤほど光量を少なくする。すなわち、ＬＥＤ１１１を最も暗く、次いでＬＥＤ１１２が暗くなるように、傾きに応じて光量を減らすように光源点灯制御回路２００において制御する。

傾きセンサ２０２が図１３の自動車１５０の前部Ｆが下向きに傾いたとき、ＬＥＤ１１１、ＬＥＤ１１２の光量をＬＥＤ１１３からＬＥＤ１１５と同程度に増やして点灯させる。傾きセンサ２０２が自動車１５０の前部Ｆが上向きに傾いたとき、暗い方から順に、ＬＥＤ１１１、ＬＥＤ１１２，ＬＥＤ１１３の光量を傾きセンサ２０２の値に応じて減らす。

図２０（ａ）は自動車１５０が傾いていない状態を示す。図２０（ｂ）は前部Ｆが下向きに傾いたときの状態を示す。図２０（ｃ）は前部Ｆが上向きに傾いたときの状態を示す。

図２０（ｂ）のように自動車１５０の前部Ｆが下向きに傾いた場合には、ラインビーム１０７は、自動車１５０に近い側、すなわち、図２０（ａ）のように自動車１５０が傾いていない場合に比べて、ｚ軸負方向に照射位置がずれて照射される。自動車１５０の前部Ｆが下向きに傾いたことを傾きセンサ２０２から読み取った光源点灯制御回路２００は、光源１００のＬＥＤ１１１〜１１５を図１９（ａ）に示すように、すべて明るく点灯させて、ライン遠方端１０８のライン近傍端１０９のラインビーム１０７によって路面を照射する。

図２０（ａ）のように自動車１５０が傾いていない状態で、かつ光源１００のＬＥＤ１１１〜１１５のすべてを明るく点灯したと仮想した場合には、図２０（ｂ）のラインビーム１０７のライン近傍端１０９が図２０（ｂ）のライン近傍端よりも自動車１５０の側から離れ、仮想のライン遠方端１０８についても図２０（ｂ）の近傍端よりも自動車１５０の側から離れる。しかし、自動車１５０が傾いていない状態であることを傾きセンサ２０２から読み取った光源点灯制御回路２００は、光源１００のＬＥＤ１１１〜１１５を図１９（ａ）に示すように、路面に近いＬＥＤほど光量を少なく、ＬＥＤ１１１を最も暗く、次いでＬＥＤ１１２が暗くなるように制御するので、自動車１５０から見たときのラインビーム１０７の実際の有効なライン遠方端２０３は、仮想のライン遠方端１０８よりも自動車１５０側に近づく。ライン遠方端２０３の位置は、例えば図２０（ｂ）のライン遠方端１０８の位置、または図２０（ｂ）のライン遠方端１０８の位置とほぼ同じ位置となるように、光源点灯制御回路２００がＬＥＤ１１１〜１１５の光量を制御している。

図２０（ｃ）のように、自動車１５０の前部Ｆが上向きに傾いた状態で、かつ光源１００のＬＥＤ１１１〜１１５のすべてを明るく点灯したと仮想した場合には、図２０（ｂ）のラインビーム１０７のライン近傍端１０９が図２０（ｂ）のライン近傍端よりも自動車１５０の側から離れ、仮想のライン遠方端１０８についても図２０（ｂ）の近傍端よりも自動車１５０の側から離れる。すなわちｚ軸正方向に照射位置がずれて照射するようになる。しかし、自動車１５０の前部Ｆが上向きに傾いたことを傾きセンサ２０２から読み取った光源点灯制御回路２００は、光源１００のＬＥＤ１１１〜１１５を図１９（ｃ）に示すように、ＬＥＤ１１１、ＬＥＤ１１２に加え、ＬＥＤ１１３の光量を減らす。これによって、ラインビーム１０７の仮想のライン遠方端１０８が光源側に近づきライン遠方端２０４になる。自動車１５０から見たときのライン遠方端２０４の位置は、例えば図２０（ｂ）のライン遠方端１０８の位置、または図２０（ｂ）のライン遠方端１０８の位置とほぼ同じ位置となるように、光源点灯制御回路２００がＬＥＤ１１１〜１１５の光量を制御している。

このように、自動車１５０が傾いたときに、傾きセンサ２０２の計測値に基づき光源点灯制御回路２００がＬＥＤ１１１〜１１５の光量を個別に調整することで、自動車１５０からみたラインビーム１０７のライン遠方端１０８の位置変動を低減することができ、視認性を向上することができる。

なお、ラインの長さの制御に、ＬＥＤ１１１，１１２，１１３の光量を変化させたが、ＬＥＤ１１１〜１１４、あるいはＬＥＤ１１１〜１１５のすべてを使って制御してもよい。

なお、傾きセンサ２０２に加速度センサを用い、自動車１５０の加減速での傾斜のみ検出して、ラインビーム１０７のライン遠方端１０８の位置を調整してもよい。
なお、ラインビーム１０７のライン遠方端１０８の調整を、光源１００のＬＥＤの点灯状態で制御したが、照射装置１０６全体を傾斜させてもよい。あるいは、光源１００または、レンズ１０１を図１のｘ軸方向に移動させることで、ラインビーム１０７のライン遠方端１０８の位置調整を行ってもよい。

なお、光源１００のＬＥＤ分割数は、５に限定されるものではない。
なお、実施の形態４では照射装置１０６をｙ軸回りの角度を機械的に変更する機構を速度メータと連動して動作させたが、照射装置１０６をｙ軸回りの角度を機械的に変更する機構を設けずに、速度メータと連動してこの実施の形態５のようにＬＥＤ１１１〜１１５の発光光量を制御してラインの長さを変えることもできる。

（実施の形態６）
図２１，図２２，図２３（ａ）（ｂ）は、本発明の実施の形態６を示す。図４と同様に、図２におけるレンズ１０１の射出面１２１のレンズ形状を示す。図２１，図２２において、図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図２１に示すレンズ１０１のｘ’ｗ断面での形状２１０は、図４の射出面のレンズ形状１３０に、図２２の形状２１１を加えた形状となっている。形状２１１は、レンズ１０１にｘ’ｗ断面内で、ディフォーカスを与える偶数次の形状、たとえば、２次関数形状をしている。

実施の形態１では、図４に示すように、奇数関数形状をレンズ１０１に加えることにより、図１（ｂ）のラインビーム１０７のライン近傍端１０９を光源１００側に近づけるようにラインビーム１０７を伸ばしたが、実施の形態６では、ｘ’ｗ断面内で、さらに２次関数形状を加えることで、ディフォーカスを生じさせ、ラインビーム１０７のライン遠方端１０８を光源１００から遠ざかる方向に光強度分布が連続して徐々に低下する分布となる、すなわち、グラデーションがついた状態となる。

図２３（ａ）は、図１１と同様に観察面１０４での照度分布を示す。
２１２はレンズ１０１による照度分布を示す。２１３はライン遠方端１０８付近に対応する部分を示す。２１３におけるＣ−ＣＣライン上の光強度を図２３（ｂ）に示す。

図２３（ｂ）の２１４はｘ’ｗ断面が実施の形態１、すなわち、奇数次関数をいれたときの光強度分布であり、光強度分布２１５はｘ’ｗ断面に奇数次関数に加え、ディフォーカスを与える偶数次の形状を加えたときの光強度分布を示す。ディフォーカスを与える偶数次をいれることで、ライン遠方端１０８での光強度分布にグラデーションがつき、境界をわかりにくくすることができる。ラインビーム１０７のライン遠方端１０８にグラデーションをつけることで、たとえば、図２０に示すように、照射装置１０６を自動車１５０に取り付け、自動車１５０の加減速で車体が前後に傾斜したとき、ラインビーム１０７の照射位置が変動し、ドライバーから見たときに視認性が低下するが、ライン遠方端１０８にグラデーションをつけることで、ラインビーム１０７の位置変化が分かりにくくなり、視認性の低下を防ぐことができる。

ラインビーム１０７のライン遠方端１０８に形成するグラデーションはできるだけなだらかに変化する方がよく、たとえば、自動車のへッドライトのロービームのカットオフライン近傍のグラデーションの強度分布の変化と同程度とすることが望ましい。

また、ラインビーム１０７のライン遠方端１０８の位置は、自動車のヘッドライトのロービームのカットオフライン近傍で、かつ、カットオフラインより下側にすることにより、ラインビーム１０７のライン遠方端１０８を目立たなくさせることができる。

なお、照明装置１０６は、ヘッドランプの中に配置されてもよいし、ヘッドランプとは別に配置してもかまわない。
（実施の形態７）
図２４，図２５，図２６は実施の形態７を示す図であり、レンズ１０１の射出面１２１のレンズ形状を示す。図２４，図２５，図２６において、図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図２４に示すｘ’ｗ断面におけるレンズ１０１の形状は実施の形態１の図４と同じである。図２５に示すｙｗ断面において、ｘ’ｗ断面と同様に、奇数次関数形状を加えたところが、実施の形態１と異なるところである。図２６に奇数次関数形状２２１を示す。

実施の形態１において、ｘ’ｗ断面で図６に示すｘ軸正方向に単調増加する奇数次関数形状を加えることで観察面１０４上においてｘ軸負方向にビームが伸ばされたのと同様に、ｙ’ｗ断面において、ｙ軸正方向に単調に増加する奇数次関数形状２２１を加え、図２５のレンズ形状２２０とすることで、レンズ１０１からの射出光は、図２７（ａ）に示すように観察面１０４上において、ｙ軸負方向側へも広がる光分布２１７となる。図２７（ａ）のＤ−ＤＤラインでの光強度分布を図２７（ｂ）に示す。ｙ負方向には、なだらか分布になるが、ｙ正方向には光強度分布のエッジが残る分布となる。

２つの照明装置１０６をエッジが外側に向くように配置したときの観察面１０４での光強度分布を図２７（ｃ）に示す。
図１３の自動車１５０に照明装置１０６を配置したときに、自動車１５０の幅を示すためには、ラインビーム１０７の外側２１９のエッジが明瞭であればよく、内側２２２の光強度分布がなだらかであってもかまわない。

レンズ１０１のｘ’ｗ断面への奇数次関数形状加算に加えｙｗ断面においても奇数次関数形状を加算することで、ラインビーム１０７の外側２１９にはエッジを残し、内側２２２をなだらかな分布とすることでも、ラインビーム１０７の視認性を確保することができる。

上記の各実施の形態においては、照明装置１０６を自動車に搭載した場合を例に挙げて説明したが、自動車だけでなく、二輪車や、三輪車、車椅子、さらに航空機等の路面を走行する、あらゆる走行体にも適用できる。

本発明は、照射方向の長さが十分に長いラインビームを形成することができ、照射面に照明を行う照明装置およびそれを用いた走行体に有用である。

１ レーザ光源
２ レンズ
３ レンズ
４ コリメートレンズ
５ ロッドレンズ
６ 照射面
７ ラインビーム
１００ 光源
１０１ レンズ
１０２ 照射面
１０３ 水平面
１０４ 観察面
１０５ 射出光線
１０６ 照明装置
１０７，１５８ ラインビーム
１０８ ライン遠方端
１０９ ライン近傍端
１１０ ライン近傍端
１１１，１１２，１１３，１１４，１１５ ＬＥＤ
１１６ 射出光線
１１７ ラインビーム
１１８ 射出光線
１１９ 射出光線
１２０ 入射面
１２１ 射出面
１２２ レンズ中心軸
１２３ レンズ中心
１３０ レンズ形状
１３１ レンズ形状
１３２ ３次関数
１３３ 傾き成分
１３４ 射出面
１３５ 射出光線
１４０ 照度分布
１４１ 照度分布
１５０ 自動車
１５１，１５２，１５３，１５４，１５５ 個別照度変化
１５６ 全体照度変化
１５７ 中央分離帯

Claims (9)

1. 照射面上にラインビームを形成する照明装置であって、
   一方向に配列される複数の発光器から構成される光源と、
   前記光源から光が照射される方向に配置されて入射面または射出面の少なくともいずれかが曲面であるレンズと
   を有し、
   曲面である前記入射面または前記射出面の少なくともいずれか一方の前記発光器の配列方向を含む断面の輪郭形状が、曲率が一定の曲線に奇数次関数で表される曲線が加えられる形状であり、
   前記光源から射出される前記光が前記レンズで屈折されて前記照射面に照射されてラインビームが形成される
   ことを特徴とする照明装置。
2. 前記輪郭形状の頂点より前記照射面から離れる側の前記輪郭形状のみが、曲率が一定の曲線に奇数次関数で表される曲線が加えられる形状であることを特徴とする、
   請求項１記載の照明装置。
3. 前記奇数次関数が３次関数であることを特徴とする、
   請求項１または請求項２に記載の照明装置。
4. 前記発光器は、前記照射面の鉛直方向に配列されることを特徴とする、
   請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の照明装置。
5. 前記光源の最も前記照射面より遠い位置に配列された前記発光器と前記レンズの中心との距離は、前記光源の最も前記照射面に近い位置に配列された前記発光器と前記レンズの中心との距離より大きいことを特徴とする、
   請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記発光器は発光ダイオードであることを特徴とする、
   請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の照明装置が搭載され、路面に前記ラインビームを形成する、走行体。
8. ラインビームのライン遠方端に位置に対し明るさが連続的に変化するグラデーションを形成したことを特徴とする、
   請求項７記載の走行体。
9. 請求項１記載の照明装置を搭載した走光体であって、
   走行速度または走行環境の明るさまたは車体の傾斜角度を検出するセンサ測定値に基づき前記光源における前記複数の発光器の光量を制御するよう構成した、
   走行体。