JP2019102380A - 車両用灯具システム - Google Patents

Abstract

【課題】液晶素子の温度の偏りを低減しつつ車両用灯具として望ましい光の照度分布を有する配光パターンを形成する。【解決手段】自車両の周囲へ照射する光の照射パターンを可変に設定可能な車両用灯具システムであって、光源１と、光源１からの光の強度分布を均一化する第１光学系２と、第１光学系２から出射する光を変調して像を形成する液晶素子３と、液晶素子３を駆動する駆動部と、液晶素子３によって形成された像４０を投射する第２光学系６と、を含む。第２光学系６は、中心軸を有し、当該中心軸を含む面に入射する前記像４０を当該中心軸から遠いほど相対的に大きい拡大率で投射する。【選択図】図３

Description

本発明は、車両用灯具による自車両周辺への選択的な照射光を行うための技術に関する。

自車両の前方に存在する対向車両や先行車両（以下、これらを「前方車両」という。）の位置に応じて自車両の前照灯ユニットからの光の照射範囲と非照射範囲を設定して選択的な光照射を行う車両用前照灯システムが知られている。このような車両用前照灯システムに関する先行例は、例えば特開平７−１０８８７３号公報に開示されている。この種の車両用前照灯システムでは、自車両の前方の所定位置（例えばフロントウィンドウ中央上部）にカメラを設置し、そのカメラによって撮像された前方車両の車体、もしくは尾灯や前照灯の位置を画像処理によって検出する。そして、検出された前方車両の部分に自車両の前照灯ユニットによる光が照射されないようにした配光制御が行われる。また、光の照射範囲と非照射範囲を制御するために液晶素子を用いることも知られている（例えば、特開平６−１９１３４６号公報参照）。

ところで、一般的に車両前方への照射光としては、中央（車両の正面方向）での照度がより高くなるような照度分布が望まれる。車両の前方中央に関する視認性をより高めるためである。このため、従来においては液晶素子に入射させる時点で光の強度分布を上記のような中央ほど高いものとし、液晶素子によって所望の配光パターンに対応する像を形成した後、その像を車両前方へ一様に拡大投影していた。

しかし、この場合、液晶素子の位置によって入射する光の強度が大きく相違することになる。車両用灯具として用いることから光源の光の強度は比較的に高いため、この光によって生じる熱による液晶素子の温度上昇が生じる際に、光の強度分布に応じた温度分布が生じてしまう。このような温度分布が生じると、液晶素子の透過率変化にばらつきが生じてしまうため、良好な配光パターンが得られなくなる場合がある。

特開平７−１０８８７３号公報 特開平６−１９１３４６号公報

本発明に係る具体的態様は、液晶素子の温度の偏りを低減しつつ車両用灯具として望ましい光の照度分布を有する配光パターンを形成することを目的の１つとする。

本発明に係る一態様の車両用灯具システムは、（ａ）自車両の周囲へ照射する光の照射パターンを可変に設定可能な車両用灯具システムであって、（ｂ）光源と、（ｃ）前記光源からの光の強度分布を均一化する第１光学系と、（ｄ）前記第１光学系から出射する光を変調して像を形成する液晶素子と、（ｅ）前記液晶素子を駆動する駆動部と、（ｆ）前記液晶素子によって形成された前記像を投射する第２光学系と、を含み、（ｇ）中心軸を有し、当該中心軸を含む面に入射する前記像を当該中心軸から遠いほど相対的に大きい拡大率で投射する、車両用灯具システムである。
ここで、本明細書における光の強度分布に関する「均一化」とは、第１光学系に入射する前における光の強度分布（一例として照度分布）を平坦化することや、平坦化しないまでも光の強度分布における強度差をより少なくすることをいう。

上記各構成によれば、液晶素子の温度の偏りを低減しつつ車両用灯具として望ましい光の照度分布を有する配光パターンを形成することができる。

図１は、一実施形態の車両用前照灯システムの構成を示す図である。 図２は、液晶素子の構成例を示す模式的な断面図である。 図３は、車両用前照灯システムにおける液晶素子および光学系の構成について示した平面図である。 図４は、投射光学系による投射パターンについて模式的に示す図である。 図５は、変形例の車両用前照灯システムの構成を示す図である。 図６は、変形例の車両用前照灯システムの構成を示す図である。 図７は、変形例の車両用前照灯システムの構成を示す図である。

図１は、一実施形態の車両用前照灯システムの構成を示す図である。図１に示す車両用灯具システムは、光源１、入射光学系２、液晶素子３、駆動回路４、制御部５、投射光学系６、カメラ８を含んで構成されている。カメラ８以外の各構成要素は、例えば筐体７に収容されている。この車両用前照灯システムは、自車両の周囲に存在する前方車両や歩行者等の位置に対応して、前方車両等の位置を含む一定範囲を非照射範囲に設定し、それ以外の範囲を光照射範囲に設定して選択的な光照射を行うためのものである。

光源１は、例えば青色光を放出する発光素子（ＬＥＤ）に黄色蛍光体を組み合わせて構成された白色光ＬＥＤを含んで構成されている。なお、光源１としてはＬＥＤのほかに、レーザー、さらには電球や放電灯など車両用ランプユニットに一般的に使用されている光源が使用可能である。光源１の点消灯状態は制御部５によって制御される。

入射光学系２は、光源１から放出される光を略平行光にするものであり、例えば凸レンズを用いることができる。この場合、凸レンズの焦点付近に光源１を配置することにより平行光を作り出すことができる。なお、入射光学系２としては、レンズや反射鏡、さらにはそれらを組み合わせたものが使用可能である。

液晶素子３は、例えば、それぞれ個別に制御可能な複数の画素領域（光変調領域）を有しており、駆動回路４によって与えられる液晶層への印加電圧の大きさに応じて各画素領域の透過率が可変に設定される。この液晶素子３に光源１からの光が透過することで、上記した光照射範囲と非照射範囲に対応した明暗を有する像が形成される。本実施形態の液晶素子３は、垂直配向型の液晶層を備えるとともに直交ニコル配置された一対の偏光板を備えており、液晶層への電圧が無印加（あるいは閾値以下の電圧）である場合に光透過率が極めて低い状態（遮光状態）となり、液晶層へ電圧が印加された場合に光透過率が相対的に高い状態（透過状態）となるものである。すなわち、本実施形態の液晶素子３は、いわゆるノーマリークローズ型（ノーマリーブラック型）の液晶素子である。

駆動回路（駆動部）４は、制御部５から供給される制御信号に基づいて液晶素子３に駆動電圧を供給することにより、液晶素子３の各画素領域における液晶層の配向状態を個別に制御するものである。

制御部（配光制御部）５は、自車両の前方を撮影するカメラ８によって得られる画像に基づいて画像処理を行うことによって前方車両等の位置を検出し、検出された前方車両等の位置を非照射範囲とし、それ以外の領域を光照射範囲とした配光パターンを設定し、この配光パターンに対応した像を形成するための制御信号を生成して駆動回路４へ供給する。この制御部５は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するコンピュータシステムにおいて所定の動作プログラムを実行させることによって実現される。

投射光学系６は、液晶素子３を透過する光によって形成される像（光照射範囲と非照射範囲に対応した明暗を有する像）をヘッドライト用配光になるように広げて自車両の前方へ投射するものであり、適宜設計されたレンズが用いられる。なお、投射光学系６としては、レンズや反射鏡、さらにはそれらを組み合わせたものが使用可能である。

カメラ８は、自車両の前方を撮影してその画像（情報）を出力するものであり、自車両内の所定位置（例えば、フロントガラス内側上部）に配置されている。なお、他の用途（例えば、自動ブレーキシステム等）のためのカメラが自車両に備わっている場合にはそのカメラを共用してもよい。また、そのような共用をしない場合には、カメラ８を筐体７内に設けてもよい。

図２は、液晶素子の構成例を示す模式的な断面図である。図２に示す構成例の液晶素子３は、対向配置された上基板１１および下基板１２、上基板１１に設けられた複数の第１電極１３、下基板１２に設けられた複数の第２電極１４、上基板１１に設けられた第１配向膜１５、下基板１２に設けられた第２配向膜１６、上基板１１と下基板１２の間に配置された液晶層１７、一対の偏光板１８、１９を含んで構成されている。

上基板１１および下基板１２は、それぞれ、平面視において矩形状の基板であり、互いに対向して配置されている。各基板としては、例えばガラス基板、プラスチック基板等の透明基板を用いることができる。上基板１１と下基板１２の間には、例えば多数のスペーサーが均一に分散配置されており、それらスペーサーによって基板間隙が所望の大きさ（例えば数μｍ程度）に保たれている。

各第１電極１３は、例えば、上基板１１の一面側に設けられ、紙面と直交する方向に延在し、紙面の左右方向に配列された複数の導電膜からなる。各第２電極１４は、例えば、下基板１２の一面側に設けられ、紙面の左右方向に延在し、紙面と直交する方向に配列された複数の導電膜からなる。各第１電極１３と各第２電極１４との重なる領域のそれぞれが上記した画素領域（光変調領域）を構成する。各電極は、それぞれ例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜を適宜パターニングすることによって構成されている。なお、図示を省略しているが各電極の上面にさらに絶縁膜が設けられていてもよい。

第１配向膜１５は、上基板１１の一面側に第１電極１３を覆うようにして設けられている。第２配向膜１６は、下基板１２の一面側に各第２電極１４を覆うようにして設けられている。各配向膜としては、液晶層１７の配向状態を垂直配向に規制する垂直配向膜が用いられている。各配向膜にはラビング処理等の一軸配向処理が施されており、一方向への配向規制力を有している。各配向膜への配向処理の方向は、例えば互い違い（アンチパラレル）となるように設定される。

液晶層１７は、上基板１１と下基板１２の間に設けられている。本実施形態においては、誘電率異方性Δεが負でありカイラル材を含まず、流動性を有するネマティック液晶材料を用いて液晶層１７が構成される。本実施形態の液晶層１７は、電圧無印加時における液晶分子の配向方向が一方向に傾斜した状態となり、各基板面に対して概ね、８８°以上９０°未満の範囲内のプレティルト角を有する略垂直配向となるように設定されている。

一対の偏光板１８、１９は、例えば互いの吸収軸を略直交させており、上基板１１と下基板１２を挟んで対向配置されている。本実施形態では、液晶層１７に電圧無印加としているときに光が遮光される（透過率が極めて低くなる）動作モードであるノーマリークローズモードを想定する。

この液晶素子３は、例えば基板面を平面視した場合における上下方向に延在して左右方向に配列される複数の第１電極と、左右方向に延在して上下方向に配列される複数の第２電極を備えている。各第１電極と各第２電極とが平面視において重なる領域の各々である画素領域が３３６個あり、これらの画素領域はマトリクス状に配列されている。本実施形態において各画素領域の形状は全て同じであり、例えば正方形状に構成されている。各第１電極１３と各第２電極１４は、駆動回路４と接続されており、例えば１／７デューティで単純マトリクス駆動される。なお、液晶素子３はこのような単純マトリクス型に限定されず、スタティック型でもよいし、各画素ごとに薄膜トランジスタ等のスイッチング素子を備えたアクティブマトリクス型でもよい。

図３は、車両用前照灯システムにおける液晶素子および光学系の構成について示した平面図である。ここでは、車両水平方向を上方から見た平面図が示されている。図中、右側が車両前方に対応している。また、図中、上側が照射方向左側、下側が照射方向右側に対応している。

図３に示す光学系において、入射光学系２としては片平凸レンズ（平凸レンズ）が用いられている。この片平凸レンズは、平坦面を光源１と対向させるように配置されている。光源１は、その光出射位置が片平凸レンズの焦点付近とほぼ一致するように配置されている。このような配置により、光源１から広がりながら出射する光を平行光に変換して均一化することができる。光源１から入射し、入射光学系２としての片平凸レンズを出射した平行光は液晶素子３へ入射する。この液晶素子３に入射する光の照度は、図中にその分布を模式的に示しているように中心付近（車両前方の中心に対応する部分）の照度が相対的にやや高い左右対称の照度分布となるが、光源１から出射して入射光学系２に入射する前の光の照度分布よりは照度の高低差が少ない、すなわち均一化された緩やかな照度分布となる。これは、例えば上記したように光源１として白色ＬＥＤを用いた場合の光源１自身の発光特性を反映している。

投射光学系６としては、例えば片平凹レンズ（平凹レンズ）が用いられている。この片平凹レンズは、平坦面を液晶素子３と対向させるように配置されている。本実施形態の片平凹レンズは、その中心軸（光軸）の付近で曲面（屈折面）の曲率が相対的に小さく、中心から離れて周辺部へいくほど曲面の曲率が相対的に大きくなるというレンズ形状を有している。これにより、曲面の周辺部に入射した光ほど中心軸から離れるように屈折して進む。図中では、片平凹レンズの曲面における曲率の変化を分かりやすくするための比較として点線により円が示されている。このようなレンズ形状により、同じ面積で片平凹レンズへ入射した光は片平凹レンズの周辺部ほど面積を広げられた状態で、車両前方に想定される仮想スクリーン９上において、相対的に大きな面積に照射される。反対に、片平凹レンズの中心軸に近い部分ほど屈折が小さいため仮想スクリーン９上での光の照射される面積が相対的に小さくなる。

このような関係により、仮想スクリーン９上での光の照度は、その分布を図中に模式的に示すように、液晶素子３に入射する光の照度分布よりも高低差の度合い（高低比）が大きくなる。このような、中心ほど相対的に明るくなる照度分布は、車両前方へ照射される光の照度分布として好ましい。なお、図３では車両前後方向を上側からみた平面図で示しているが、車両上下方向を横方向からみた場合も同様となるようにしてもよい。

図４は、投射光学系による投射パターンについて模式的に示す図である。なお、本実施形態では各々個別に光の照射状態を制御可能な光制御領域が３３６個形成されるが、説明の便宜上、図４ではそのうち中心付近の３５個の光制御領域を矩形により示している。各光制御領域は、投射光学系６の焦点距離の分布、つまり拡大率の分布に従って中心部に近いほど図中のｘ方向、ｙ方向ともに投射パターンの拡大率が小さく、中心部から離れて周辺になるほど図中のｘ方向、ｙ方向とも投射パターンの拡大率が大きくなって投射される。

例えば、図中左上側に示すように、液晶素子３によって形成された像４０（図３参照）における各光制御領域に対応する各領域がすべて同じ大きさの正方形であったとすると、この像４０が投射光学系６に入射することによって形成される投射パターン４１（図３参照）の各光制御領域は、ｘ方向、ｙ方向ともに中央ほど幅が狭く、周辺ほど幅が大きいものとなる。それにより、投射パターン４１の中央部に近い領域ほど細やかな光制御を実現できる。このような投射パターンは、車両の前方へ照射されるものとして好ましいものである。なお、図示のものは一例であり、ｘ方向、ｙ方向の拡大率はこれに限定されず、また各光制御領域の形状は矩形に限定されない。

光の照度分布についてみると、投射光学系６によって形成される投射パターン４１の光の照度分布は、入射光学系２によって形成される液晶素子３への入射光の照度分布（相対的に緩やかな照度分布）に比べて照度の高低差の度合いがより大きくなる。ここでいう「照度の高低差の度合い」とは、例えば、最大照度と最小照度の比で表すことができる。すなわち、レンズ曲率の分布（拡大率）の分布に従って照度分布が調整されることにより、中心部と周辺部との照度差が増長された投射パターン４１が得られる。このような投射パターンは、車両の前方へ照射される光の照度分布として好ましいものである。

以上のような実施形態によれば、入射光を均一化することで液晶素子の温度の偏りを低減しつつ車両用灯具として望ましい光の照度分布を有する配光パターンを形成することができる。

なお、本発明は上記した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、液晶素子３への入射光の照度分布はできる限り均一なほうが好ましいので、入射光学系２としてロッドレンズとテレセントリック光学系（テレセントリックレンズ）を組み合わせたものを用いてもよい。それにより、液晶素子への入射光の照度分布より均一にすることができる。

また、上記した実施形態では、自車両の前方に存在する車両等の位置に応じた選択的な光照射を行うために液晶素子を陥る車両用灯具システムについて説明していたが、本発明の適用範囲はこれに限定されない。例えば、自車両の進行方向に応じてその方向へ光を照射するアダプティブ・フロントライティング・システム（Adaptive Front-Lighting System：AFS）に用いられる車両用灯具システムに本発明を適用してもよい。また、例えば、自車両前方の歩行者等を報知するためにその歩行者等の存在する方向へマーキングビームを照射するような車両用灯具システムに本発明を適用してもよい。

また、上記した実施形態では投射光学系６の一例として片平凹レンズ（平凹レンズ）を挙げていたが、投射光学系６として用いるレンズは片平レンズに限定されず、片平凸レンズ、両凸レンズ、両凹レンズ、凹面鏡、凸面鏡など種々の光学系を用いることができる。

図５は、投射光学系として凸レンズ（片平凸レンズ）を用いた変形例の構成について説明するための図である。この投射光学系６としての凸レンズは、平坦面を液晶素子３と対向させるように配置されている。本実施形態の凸レンズは、平坦面と相対する曲面（屈折面）の曲率が中心軸（光軸）の付近で相対的に小さく、中心から離れて周辺部へいくほど相対的に大きくなるというレンズ形状を有している。この凸レンズを用いて投射光学系６を構成した場合、図示のように、液晶素子３から出射した像は、投射光学系６を透過した後、一旦焦点（集光点）を結び、その後に広がって投射される。投射光学系６は、中心軸に近いほど屈折面による焦点距離が長く中心軸から遠いほど当該焦点距離が短いので、仮想スクリーン９上での光の照度分布は、上記した実施形態の場合と同様になる。

図６は、投射光学系として凹面鏡を用いた変形例の構成について説明するための図である。この投射光学系６としての凹面鏡は、反射面を液晶素子３と対向させるように配置されている。この場合、図６（Ａ）に点線で示すように、例えば光源１、投射光学系２、液晶素子３を投射光学系６の下方に配置して、液晶素子３から出射する像が凹面鏡の反射面に入射するように配置する。図６（Ｂ）はこの配置状態を模式的に示した図である。説明の簡素化のために光源１と投射光学系６のみを示している。投射光学系６である凹面鏡は、その反射面を車両上下方向（図中、上下方向に対応）に対して傾けることで、反射光が車両前方へ進行するように配置されている。凹面鏡は、反射面の曲率が中心軸（光軸）の付近で相対的に小さく、中心から離れて周辺部へいくほど相対的に大きくなるという形状を有している。この凹面鏡を用いて投射光学系６を構成した場合、図示のように、液晶素子３から出射した像は、投射光学系６で反射された後、一旦焦点（集光点）を結び、その後に広がって投射される。投射光学系６は、中心軸に近いほど反射面による焦点距離が長く中心軸から遠いほど当該焦点距離が短いので、仮想スクリーン９上での光の照度分布は、上記した実施形態の場合と同様になる。

図７は、投射光学系として凸面鏡を用いた変形例の構成について説明するための図である。この投射光学系６としての凸面鏡は、反射面を液晶素子３と対向させるように配置されている。この場合、図７に点線で示すように、例えば光源１、投射光学系２、液晶素子３を投射光学系６の下方に配置して、液晶素子３から出射する像が凸面鏡の反射面に入射するように配置する。図６（Ｂ）に示した配置と同様に、投射光学系６である凸面鏡は、その反射面を車両上下方向（図中、上下方向に対応）に対して傾けることで、反射光が車両前方へ進行するように配置されている。凸面鏡は、反射面の曲率が中心軸（光軸）の付近で相対的に小さく、中心から離れて周辺部へいくほど相対的に大きくなるという形状を有している。この凸面鏡を用いて投射光学系６を構成した場合、図示のように、液晶素子３から出射した像は、投射光学系６によって反射された後、広がって投射される。投射光学系６は、中心軸に近いほど反射面による焦点距離が長く中心軸から遠いほど当該焦点距離が短いので、仮想スクリーン９上での光の照度分布は、上記した実施形態の場合と同様になる。

１：光源
２：入射光学系
３：液晶素子
４：駆動回路
５：制御部
６：投射光学系
７：筐体
８：カメラ
９：仮想スクリーン
４０：像
４１：投射パターン（配光パターン）

Claims (7)

1. 自車両の周囲へ照射する光の照射パターンを可変に設定可能な車両用灯具システムであって、
   光源と、
   前記光源からの光の強度分布を均一化する第１光学系と、
   前記第１光学系から出射する光を変調して像を形成する液晶素子と、
   前記液晶素子を駆動する駆動部と、
   前記液晶素子によって形成された前記像を投射する第２光学系と、
   を含み、
   前記第２光学系は、中心軸を有し、当該中心軸を含む面に入射する前記像を当該中心軸から遠いほど相対的に大きい拡大率で投射する、
   車両用灯具システム。
2. 前記第１光学系は、前記光源からの光を略平行光にする、
   請求項１に記載の車両用灯具システム。
3. 前記第１光学系は、片平凸レンズを含む、
   請求項１又は２に記載の車両用灯具システム。
4. 前記第１光学系は、ロッドレンズとテレセントリック光学系を含む、
   請求項１又は２に記載の車両用灯具システム。
5. 前記第２光学系は、屈折面又は反射面を有しており、前記中心軸に近いほど前記屈折面又は反射面による焦点距離が長く前記中心軸から遠いほど当該焦点距離が短い、
   請求項１〜４の何れか１項に記載の車両用灯具システム。
6. 前記第２光学系は、屈折面又は反射面を有しており、前記中心軸に近いほど前記屈折面又は反射面の曲率が小さく前記中心軸から遠いほど当該曲率が大きい、
   請求項１〜４の何れか１項に記載の車両用灯具システム。
7. 前記自車両の周辺に存在する対象物に応じて配光パターンを設定し、当該配光パターンに対応した前記像を形成するために前記駆動部を制御する配光制御部を更に含む、
   請求項１〜６の何れか１項に記載の車両用灯具システム。

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