JP2017111977A

JP2017111977A - 車両用灯具および車両用照射システム

Info

Publication number: JP2017111977A
Application number: JP2015245494A
Authority: JP
Inventors: 聡史鈴木; Satoshi Suzuki
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-06-22
Also published as: EP3181996A1

Abstract

【課題】ＤＭＤを利用することで配光パターンを容易に変化させることができ、かつ集光過程における光の利用効率を高めた車両用灯具の提供を目的とする。
【解決手段】白色光を照射する光源と、光源から照射された光を集光する集光部と、マトリクス状に配列された複数の光学素子を有し複数の光学素子により形成された集合反射面によって集光部により集光された光を反射して反射パターンを形成する反射パターン形成装置と、反射パターンを前方に照射する投影光学系と、を備え、集合反射面が、集合反射面における集光部の集光スポットの内側に位置する、車両用灯具。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両用灯具および車両用照射システムに関する。

特許文献１には、配光パターンを容易に変化させることができるＤＭＤ（Digital Mirror Device）を利用した車両用照明装置（車両用灯具）が開示されている。

特開平０９−１０４２８８号公報

このような車両用照明装置において、光源からの光は、ＤＭＤへ入射させるために凹状の反射面によって集光されている。しかしながら、反射面において光を反射させる場合には、反射面で光の損失が生じて光の利用効率の低下を招くという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ＤＭＤを利用することで配光パターンを容易に変化させることができ、かつ集光過程における光の利用効率を高めた車両用灯具の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の車両用灯具は、白色光を照射する光源と、前記光源から照射された光を集光する集光部と、マトリクス状に配列された複数の光学素子を有し複数の前記光学素子により形成された集合反射面によって前記集光部により集光された光を反射して反射パターンを形成する反射パターン形成装置と、前記反射パターンを前方に照射する投影光学系と、を備え、前記集合反射面が、前記集合反射面における前記集光部の集光スポットの内側に位置する。

上記の構成によれば、反射パターン形成装置（例えばＤＭＤ）を利用することで配光パターンを容易に変化させることが可能な車両用灯具を提供できる。
また、上記の構成によれば、集光レンズを用いて反射パターン形成装置の集合反射面に集光させるため、凹状の反射面を用いる場合と比較して、集光過程における光の利用効率を高めることができる。
一方で、集光レンズで白色光を集光すると色収差が生じるため、ＤＭＤで反射した光に色ムラが発生する。上記の構成によれば、集合反射面が集光スポットの内側に位置することにより、集光スポットの外縁に生じた色ムラ領域の光が集合反射面に入射することを抑制できる。したがって、色ムラの少ない光を照射できる車両用灯具を提供できる。

また、請求項２において、前記集光スポットは、前記集光スポットの中央に位置する白色光スポット領域と、前記白色光スポット領域を囲む色ムラ領域と、を有し、前記集合反射面は、前記白色光スポット領域の内側に位置する。

上記の構成によれば、色ムラ領域は、集合反射面に入射することがなく、色ムラを抑制した光を車両前方に照射できる。

また、請求項３において、前記白色光スポット領域は、ｘｙ色度座標上の座標値（０．３１，０．２８），（０．４４，０．３８），（０．５０，０．３８），（０．５０，０．４４），（０．４５５，０．４４），（０．３１，０．３５）を結ぶ直線で囲まれた色度範囲に含まれた光が照射された領域である。

上記の構成によれば、車両用灯具は、ヘッドランプの光として対向車に不快感を与えることなく、また十分に対象物を認識させる光とすることができる。

請求項４に記載の発明の車両用照射システムは、請求項１〜３の何れか一項に記載の車両用灯具と、車両の前方を監視するセンサ装置と、を有し、前記車両用灯具は、前記反射パターン形成装置と接続された制御部を備え、前記制御部は、前記センサ装置により検出された車両前方の交通状況に応じて、前記反射パターンを制御する。

上記の構成によれば、交通状況に応じて前方に照射する配光パターンを変化させる車両用照射システムを提供できる。これにより、運転者の視認性の向上を図るとともに、対向車両Ｃの運転者に眩しさを与えることを抑制できる。

本発明によれば、ＤＭＤを利用することで反射パターンを容易に変化させることができ、かつ集光過程における光の利用効率を高めた車両用灯具の提供できる。

一実施形態の車両用灯具を備えた車両用照射システムの概略図。一実施形態の車両用灯具の斜視図。一実施形態の反射パターン形成装置の概略断面図。一実施形態の反射パターン形成装置の正面図。好ましい白色範囲を示すｘｙ色度座標のグラフ。一実施形態の車両用灯具により形成される配光パターンの一例を示す模式図。実施例の車両用灯具の配置を示す模式図。実施例の集合反射面に入射する光のシミュレーション結果を示す集合反射面の正面図。

以下、実施形態の車両用灯具１について、図面を参照しながら説明する。
以下の説明において、前後方向とは、車両用灯具１が搭載される車両の前後方向を意味する。また、車両用灯具１は、車両の前方に向かって光を照射するものとする。さらに前後方向は、特に断りのない場合は、水平面内の一方向であるものとする。さらに、左右方向とは、特に断りのない場合は、水平面内の一方向であり、前後方向と直交する方向である。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１は、車両用灯具１を備えた車両用照射システム２の概略図である。また、図２は車両用灯具１を模式的に表す斜視図である。
車両用照射システム２は、車両用灯具１と画像処理部６１と前方監視センサ６２とを有する。車両用灯具１は、光源１０と、集光レンズ２０と、反射パターン形成装置３０と、投影レンズ（投影光学系）５０と、制御部６０と、を備える。集光レンズ２０、反射パターン形成装置３０および投影レンズ５０は、この順で光源１０から照射された光を伝達して前方に照射する。

光源１０は、白色光Ｌを発光中心軸Ｌ１０に沿って照射する。光源１０としては、ＬＥＤ（Light emitting diode）、ＬＤ（Laser diode）、ＥＬ（Electroluminescence）素子等の半導体発光素子や、電球、白熱灯（ハロゲンランプ）、放電灯（ディスチャージランプ）等を採用できる。また、光源１０には、発光とともに生じる熱を放出するヒートシンクが設けられていることが好ましい。光源１０は、制御部６０と接続されており、制御部６０からの信号に応じて白色光Ｌを照射する。光源１０から照射される白色光Ｌは、後段において説明するｘｙ色度座標の白色範囲Ｗ１（図５参照）に含まれる。

集光レンズ（集光部）２０は、光源１０から出射した光を集光して、反射パターン形成装置３０の集合反射面３３に導く。集光レンズ２０の光軸Ｌ２０は、光源１０の発光中心軸Ｌ１０と一致する。
なお、本実施形態では、集光部として１つの集光レンズ２０を用いる場合を例示したが、集光部は、複数の集光レンズを光軸に沿って並べた集光光学系であってもよい。

反射パターン形成装置３０は、集光レンズ２０の光軸Ｌ２０上に配置されている。反射パターン形成装置３０は、光源１０から出射し集光レンズ２０により集光された白色光Ｌを反射する。反射パターン形成装置３０は、例えば、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）といった複数の微小ミラーをアレイ（マトリックス）状に配列したものである。これらの複数の微小ミラーの反射面３２ａ（図３参照）の角度をそれぞれ制御することで、光源１０から出射した光の反射方向を選択的に変えることができる。つまり、光源１０から出射した光の一部を投影レンズ５０へ向けて反射し、それ以外の光を投影レンズ５０外の方向へ向けて反射することができる。

図３は、反射パターン形成装置３０の概略断面図である。反射パターン形成装置３０は、複数（例えば、１００個〜１００万個）の微小なミラー素子（光学素子）３２がマトリックス状に配列されたマイクロミラーアレイ３４と、ミラー素子３２の反射面３２ａの前方側（図３では右側）に配置された透明なカバー部材３６と、を有する。マイクロミラーアレイ３４の複数の反射面３２ａは、全体として集合反射面３３を構成する。マイクロミラーアレイ３４は、制御部６０と接続されている。

ミラー素子３２は、それぞれ回転軸周りに可動角θ_DMDで回転可能である。複数のミラー素子３２は、それぞれ制御部６０に接続されている。それぞれのミラー素子３２は、制御部６０からの電圧印加により回転して、ＯＦＦ状態（図３の光路Ｌｏｆｆに点線で表す）とＯＮ状態（図３の光路Ｌｏｎに実線で表す）とを個別に切り替えることができる。反射パターン形成装置３０の集合反射面３３は、光軸Ｌ５０に対して垂直に配置されていても、傾いて配置されていてもよい。本実施形態において集合反射面３３は、図１に示すように、光軸Ｌ５０に直交する方向に対し傾斜角θ_tiltで傾いている。ここで、集合反射面３３の傾斜角θ_tiltは、集光レンズ２０の光軸Ｌ２０と投影レンズ５０の光軸Ｌ５０との差角θ_L20-L50およびミラー素子３２の可動角θ_DMDに対して、以下の式の関係を有することが好ましい。
θ_tilt≦θ_L20-L50−θ_DMD
これにより、ミラー素子３２は、ＯＦＦ状態において、入射した光を車両用灯具１の外に反射する。また、ミラー素子３２は、ＯＮ状態において、入射した光を投影レンズ５０に向けて反射する。

反射パターン形成装置３０は、ＯＮ状態の反射光により構成された反射パターンを形成する。この反射パターンは、投影レンズ５０を介し配光パターンＰ（図６参照）として前方に照射される。

図４は、反射パターン形成装置３０の正面図であり、反射パターン形成装置３０と反射パターン形成装置３０に入射する光の集光スポットＳＰとの位置関係を示す。集光レンズ２０は、反射パターン形成装置３０の集合反射面３３に向けて集光し、集合反射面３３において集光スポットＳＰを形成する。

図４に示すように、集光スポットＳＰは、集光スポットＳＰの中央に位置する白色光スポット領域Ａ１と、白色光スポット領域Ａ１を囲む色ムラ領域Ａ２と、を有する。集光レンズ２０は、集光スポットＳＰにおいて、色収差に起因する色ムラを生じる。光は、波長に応じて屈折率が異なる。したがって、白色光Ｌが集光レンズ２０を通過すると、短波長の光（紫色光又は青色光など）が集光スポットＳＰの外縁に集まり、色ムラ領域Ａ２を形成する。なお、集光レンズ２０と集合反射面３３との位置関係によっては、集光スポットＳＰの外縁に長波長（赤色光など）が場合もある。

図４に示すように、集合反射面３３は、集光スポットＳＰの白色光スポット領域Ａ１の内側に位置することが好ましい。これにより、色ムラ領域Ａ２は、集合反射面３３に入射することがなく、色ムラを抑制した光を車両前方に照射できる。車両用灯具１は、色ムラを抑制した光を照射することで、前方の認識性を高めることができるとともに、対向車の運転者に不快感を与えることがない。

図５は、ＥＣＥ法規に基づく日本国の法規によって規定されたヘッドライト（車両用灯具）の白色範囲Ｗ１を説明するための図である。図５に示すように、ヘッドランプの白色範囲Ｗ１（ヘッドランプとしての光色の色度範囲）は法規によって規定されている（図１参照）。車両用灯具１は、法規に定められた白色範囲Ｗ１に含まれる白色範囲とすることが好ましい。すなわち、本実施形態において、白色光スポット領域Ａ１の光は、ｘｙ色度座標上の座標値（０．３１，０．２８），（０．４４，０．３８），（０．５０，０．３８），（０．５０，０．４４），（０．４５５，０．４４），（０．３１，０．３５）を結ぶ直線で囲まれた色度範囲に含まれていることが好ましい。法規は車両用灯具の性能基準として定められている。したがって、法規を満たした車両用灯具１は、ヘッドランプの光として対向車に不快感を与えることなく、また十分に対象物を認識させる光を照射することができる。

また、本実施形態の車両用灯具１は、各国の法規に従った白色範囲の光のみを前方に照射することができる。ＳＡＥインターナショナルによれば、図５に示す白色範囲Ｗ２に含まれることが推奨される。すなわち、白色光スポット領域Ａ１の光は、以下の（式１）〜（式６）でそれぞれ表される直線を境界線とする白色範囲Ｗ２に含まれることが好ましい。（式１）〜（式６）の直線に囲まれる白色範囲Ｗ２は、白色範囲Ｗ１と略一致する。

Ｘ＝０．３１ …（式１）
Ｘ＝０．５０ …（式２）
Ｙ＝０．１５＋０．６４Ｘ …（式３）
Ｙ＝０．０５＋０．７５Ｘ …（式４）
Ｙ＝０．４４ …（式５）
Ｙ＝０．３８ …（式６）

なお、集合反射面３３は、集光スポットＳＰの内側に含まれていれば、色ムラ領域Ａ２の一部が入射した場合であっても一定の色ムラ抑制効果を奏することができる。色ムラ領域Ａ２は、集光スポットＳＰの外縁に位置する。したがって、集合反射面３３が集光スポットＳＰの内側に位置させることは、色ムラ領域Ａ２の少なくとも一部が集合反射面３３の外側に向けて射出されて集合反射面３３に入射しないことを意味する。これにより、色ムラの少ない光を車両前方に照射できる。

投影レンズ（投影光学系）５０には、反射パターン形成装置３０において形成された反射パターンが入射する。また、投影レンズ５０は、反射パターンを前方に向けて照射する。本実施形態において、投影レンズ５０は、その光軸Ｌ５０が車両の前後方向を向くように設けられている。しかしながら、光軸Ｌ５０は、他の方向を向いていてもよい。また、本実施形態において、光軸Ｌ５０は、集合反射面３３の中心を通過するが、必ずしも中心を通過しなくてもよい。投影レンズ（投影光学系）５０は、例えば、前方側表面及び後方側表面が自由曲面形状を有する自由曲面レンズからなる。投影レンズ５０の後方焦点を含む後方焦点面上に形成される光源像を、反転像として灯具前方の仮想鉛直スクリーン上に投影する。投影レンズ５０は、その後方焦点が反射パターン形成装置３０の集合反射面３３の近傍に位置するように配置される。なお、投影レンズ５０はリフレクタであってもよい。

制御部６０は、反射パターン形成装置３０に各種の制御信号を送信し、所望の反射パターンを形成する。この反射パターンは、前方に照射される配光パターンＰと対応する。したがって、制御部６０は、反射パターン形成装置３０を制御することで所望の配光パターンを形成できる。

図６は、本実施形態に係る車両用灯具１により形成される配光パターンＰの一例を示す模式図である。図６において配光パターンＰは、車両前方に仮想的に配置された仮想鉛直スクリーン上に形成されたものを模式的に示す。

制御部６０には、図１に示すように、画像処理部６１を介して車両の前方を監視する前方監視センサ（センサ装置）６２が接続されている。前方監視センサ６２は、例えば車両前方を撮像するカメラである。前方監視センサ６２において取得した前方の撮像画像は、画像処理部６１において分析される。画像処理部６１は、撮像画像に中に含まれる車両や歩行者を特定しこれらの位置を検出し、さらにこれらの情報を制御部６０に送信する。

制御部６０は、画像処理部６１から受信した対向車両Ｃ（又は歩行者）の信号に応じて光源１０および反射パターン形成装置３０に各種の制御信号を送信し、前方の情報に応じた配光パターンＰを形成する。より具体的には、制御部６０は、対向車両Ｃの位置情報を用いて、対向車両Ｃと重なる位置に光を前方に投影しない遮光領域Ｐ１を形成する。すなわち、本実施形態の車両用照射システム２によれば、制御部６０が、前方監視センサ６２により検出された車両前方の交通状況に応じて、反射パターンを制御する。これにより、車両用灯具１は、運転者の視認性の向上を図るとともに、対向車両Ｃの運転者に眩しさを与えることを抑制できる。なお、車両用灯具１は、制御をハイビーム用の配光パターンにおいて行うことでより効果的に、運転者の視認性を向上できる。

また、制御部６０は、車両前方の水平線Ｈより下方のみを照射するロービーム用の配光パターンを形成してもよいし、車両前方の水平線Ｈより上方かつ左側に光照射領域を有し、右側に遮光領域が形成された、いわゆる左片ハイ用配光パターンを形成してもよい。さらに制御部６０は、左片ハイ用配光パターンに限らず、右片ハイ用配光パターンなど様々な配光パターンを形成してもよい。さらに、本構成を利用して走行路面上に文字や図形などを光で描画することもできる。

本実施形態の車両用灯具１および車両用照射システム２によれば、集光レンズ２０を用いて反射パターン形成装置３０の集合反射面３３に集光させるため、凹状の反射面を用いて集光させる従来の構造と比較して、集光過程における光の利用効率を高めることができる。
また、本実施形態の車両用灯具１および車両用照射システム２によれば、集光スポットＳＰの外縁に生じた色ムラ領域Ａ２の光が集合反射面３３に入射することを抑制できる。したがって、色ムラの少ない光を照射できる。

以上に、本発明の実施形態を説明したが、実施形態における各構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはない。
例えば、上述の実施形態において車両の前方を監視するセンサ装置として、画像を撮像する前方監視センサ６２を採用した例を説明したが、センサ装置は、超音波センサであってもよい。

以下、実施例としてのシミュレーションにより本発明の構成をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

図７は、本実施例の車両用灯具１０１において光源１１０と、集光部１２０と、反射パターン形成装置１３０と、の配置を示す。集光部１２０は、第１の集光レンズ１２１と第２の集光レンズ１２２とを有する。なお図７は、模式的な図であり各構成の寸法及び位置関係の縮尺は実際とは異なる。

本実施例の車両用灯具１０１における各部の位置および寸法について具体的に説明する。
図７に示すように、光源１１０、第１の集光レンズ１２１、第２の集光レンズ１２２および反射パターン形成装置１３０は、互いの光軸（中心軸）を一致させて配置されている。光源１１０は、０．５ｍｍ×０．５ｍｍの正方形の発光領域１１１を有する。第１の集光レンズ１２１は、直径が２．７ｍｍであり最も厚い部分が４ｍｍの凸レンズである。第２の集光レンズ１２２は、直径が５．２ｍｍであり最も厚い部分が１０ｍｍの凸レンズである。反射パターン形成装置１３０は、２．６ｍｍ×２．６ｍｍの正方形の集合反射面１３３を有するデジタルミラーデバイスである。光源１１０と第１の集光レンズ１２１とは、０．６ｍｍだけ離間して配置されている。第２の集光レンズ１２２とは、２．２ｍｍだけ離間して配置されている。第２の集光レンズ１２２と反射パターン形成装置１３０とは、２６ｍｍだけ離間して配置されている。

図８は、反射パターン形成装置１３０の集合反射面１３３に入射する光のシミュレーション結果を示す。図中の横軸および縦軸は、それぞれ横方向及び縦方向の寸法を表す。図８に示すように、本変形例の集合反射面１３３は、集光スポットの内側に位置する。

集合反射面１３３に向けて照射した全光束は、６１ｌｍ（ルーメン）であり、そのうち集合反射面１３３に入射した光の光束は、５４ｌｍであった。すなわち、集合反射面１３３には、全体の８８％の光が入射している。

図５のｘｙ色度座標のグラフに、集合反射面１３３の横軸方向中心であって縦方向の縁に位置する測定点Ｍ１（図８参照）におけるｘｙ色度座標をＰ（Ｍ１）としてプロットした。なお、Ｐ（Ｍ１）は、ｘｙ色度座標は、（０．３１８，０．３２０）である。
図５に示すように、集合反射面１３３の縁に位置する測定点Ｍ１が、ｘｙ色度座標上の白色範囲Ｗ１に含まれる。色収差は、集光スポットの外縁に近づくほど大きくなるため、縁部より内側に位置する集合反射面１３３の全領域には、白色範囲Ｗ１の白色光が照射されることが明らかである。本変形例によれば、白色光のみを集合反射面１３３で反射する構成が確認できた。

１，１０１…車両用灯具、２…車両用照射システム、１０，１１０…光源、２０，１２０…集光レンズ（集光部）、３０，１３０…反射パターン形成装置（ＤＭＤ）、３２…ミラー素子（光学素子）、３２ａ…反射面、３３，１３３…集合反射面、５０…投影レンズ（投影光学系）、６０…制御部、６２…前方監視センサ（センサ装置）、Ａ１…白色光スポット領域、Ａ２…色ムラ領域、Ｌ…白色光、ＳＰ…集光スポット

Claims

白色光を照射する光源と、
前記光源から照射された光を集光する集光部と、
マトリクス状に配列された複数の光学素子を有し複数の前記光学素子により形成された集合反射面によって前記集光部により集光された光を反射して反射パターンを形成する反射パターン形成装置と、
前記反射パターンを前方に照射する投影光学系と、を備え、
前記集合反射面が、前記集合反射面における前記集光部の集光スポットの内側に位置する、車両用灯具。
前記集光スポットは、前記集光スポットの中央に位置する白色光スポット領域と、
前記白色光スポット領域を囲む色ムラ領域と、を有し、
前記集合反射面は、前記白色光スポット領域の内側に位置する、請求項１に記載の車両用灯具。
前記白色光スポット領域は、ｘｙ色度座標上の座標値（０．３１，０．２８），（０．４４，０．３８），（０．５０，０．３８），（０．５０，０．４４），（０．４５５，０．４４），（０．３１，０．３５）を結ぶ直線で囲まれた色度範囲に含まれた光が照射された領域である、請求項２に記載の車両用灯具。
請求項１〜３の何れか一項に記載の車両用灯具と、
車両の前方を監視するセンサ装置と、を備え、
前記車両用灯具は、前記反射パターン形成装置と接続された制御部を有し、
前記制御部は、前記センサ装置により検出された車両前方の交通状況に応じて、前記反射パターンを制御する、車両用照射システム。