JP2021118052A

JP2021118052A - 照明装置、車両用灯具

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Publication number: JP2021118052A
Application number: JP2020008893A
Authority: JP
Inventors: 春彦岡田; Haruhiko Okada; 賢治長島; Kenji Nagashima; 高士中井; Takashi Nakai; 大典長友; Daisuke Nagatomo; 浩樹堀川; Hiroki Horikawa
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2040-01-23
Also published as: JP7426838B2

Abstract

【課題】光源の光を効率的に利用することができる照明装置を提供する。【解決手段】本発明の照明装置１は、光源４と、光源４からの光をＭＥＭＳミラー５ａにより所定の角度範囲に反射して走査する光偏向器５と、配光形成領域８ａを有し、走査された光の波長を変換する蛍光体プレート８と、蛍光体プレート８からの光を制御して、配光パターンを投影する投影レンズ１０と、光偏向器５からの光が蛍光体プレート８に入射するように配設されたリフレクタミラー７を備えている。リフレクタミラー７は、傾斜が互いに異なり、曲面形状も互いに異なる複数の曲面領域Ｒ１〜Ｒ３を有し、当該複数の曲面領域Ｒ１〜Ｒ３の各々によって反射された光は、配光形成領域８ａを照射する。【選択図】図１

Description

本発明は、光偏向器を用いて配光パターンを生成する照明装置、及び当該照明装置を利用した車両用灯具に関する。

従来、車両に搭載される車両用灯具として、光源から出射されたレーザ光をＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の光偏向器によって走査して走査光が蛍光体に入射するようにし、配光パターンを車両前方に投影するものがあった。現在、このような車両用灯具を用いて、車両の走行方向に応じてヘッドライトの配光を制御するＡＦＳ(Adaptive Front-Lighting System)が実現されている。

例えば、特許文献１に記載の車両用灯具は、光源から照射された光を光偏向器の光偏向ミラーで走査し、走査された光の歪みを補正ミラーで補正して、蛍光体に二次元像を描画している。

また、制御装置は光偏向器及び励起光源に制御信号を送信し、当該制御信号により光偏向ミラーを回動させる。そして、当該制御信号により、各励起光源によるレーザ光のオン・オフ及び輝度が制御される（特許文献１／段落００３９）。

特開２０１８−１９８１３９号公報

しかしながら、特許文献１の車両用灯具においては、配光パターンを得るため、レーザ光の走査時に光源のオン・オフ及び輝度を変化させているため、光源の点灯効率が低下するという問題があった。また、常に全域を走査する方式であるため、高照度化には不利となっていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光源の光を効率的に利用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。

本発明は、所定の配光パターンを生成する照明装置であって、光を出射する光源と、回動ミラーを有し、前記光源から出射された光を前記回動ミラーによって所定の角度範囲に反射して走査する光偏向器と、前記配光パターンを生成するための配光形成領域を有し、前記光偏向器で走査された光の波長を変換する波長変換部と、前記波長変換部からの光を制御して、前記配光パターンを投影する光学部材と、前記光偏向器からの光が前記波長変換部に入射するように配設されたリフレクタミラーと、を備え、前記リフレクタミラーは、曲面形状が互いに異なる複数の曲面領域を有し、前記複数の曲面領域は互いに異なる傾斜を有して配置され、前記光偏向器により走査され、前記複数の曲面領域の各々によって反射された光は、前記波長変換部の前記配光形成領域を照射することを特徴とする。

本発明の照明装置は、光偏向器の回動ミラーにより光源からの光を反射し、走査する。当該走査された光は波長変換部の配光形成領域に入射し、光の波長が変換（例えば、白色光に変換）された後、光学部材により投影され、所定の配光パターンが生成される。

光偏向器で走査された光は、リフレクタミラーで反射された後に波長変換部に入射するが、当該リフレクタミラーには、曲面形状が互いに異なる複数の曲面領域が設けられている。このため、走査時に光源の光量を制御することなく、曲面領域の形状に応じて光が集光し、効率的に所定の配光パターンが得られる。さらに、当該複数の曲面領域は互いに異なる傾斜を有しており、それぞれの曲面領域で反射された光が配光形成領域を照射するようになっている。これにより、投影された配光パターンの位置を一致させることができる。

本発明の照明装置において、前記複数の曲面領域のうち少なくとも１つは、当該曲面領域で反射された光が前記配光形成領域上で強度分布をなす曲面形状を有していることが好ましい。

複数の曲面領域のうち少なくとも１つは、互いに異なる曲面形状を有しているため、反射された光が集光する部分が生じて、配光形成領域上で強度分布をなす。これにより、所望の位置の光強度を強くした配光パターンを生成することができる。

また、本発明の照明装置において、前記光偏向器を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記複数の曲面領域のうち１つに光が照射されるように前記回動ミラーの角度範囲を制御することが好ましい。

この構成によれば、制御部は、光偏向器（回動ミラー）を制御することで、走査された光がリフレクタミラーに入射するようにする。制御部は、例えば、走査された光の垂直軸方向を調整して、当該光がリフレクタミラーの１つの曲面領域に入射するように角度範囲を制御する。これにより、当該曲面領域に応じた配光パターンが得られる。

また、本発明の照明装置において、前記光源、前記光偏向器及び前記リフレクタミラーのセットを複数備えていることが好ましい。

この構成によれば、光源、光偏向器及びリフレクタミラーのセットを複数備え、各光源からの光を共通の波長変換部（配光形成領域）に入射させる。これにより、当該波長変換部から出射される光量が高まるため、得られる配光パターンをより鮮明なものとすることができる。

また、本発明の照明装置において、前記回動ミラーで反射された光の、走査によるスポットサイズの変化を補正する補正レンズを備えていることが好ましい。

光偏向器で走査された光は、走査範囲の中央と端部でスポットサイズに差が生じることがある。このため、当該光が補正レンズを通過するようにして補正し、配光パターンを鮮明なものとすることができる。

また、本発明の照明装置において、前記波長変換部は、光透過型であることが好ましい。

この構成によれば、リフレクタミラーで反射された光は波長変換部を透過するので、波長変換部の奥側に光学部材を配設し、さらにその奥側に配光パターンを投影することができる。

また、本発明の照明装置において、前記波長変換部は、光反射型であってもよい。

この構成によれば、リフレクタミラーで反射された光は波長変換部で反射されるので、波長変換部で反射された光がリフレクタミラー側に戻ってくる。このため、波長変換部に対してリフレクタミラー側に光学部材を配設し、さらにその奥側に配光パターンを投影することができる。

本発明の車両用灯具は、上述の（請求項１〜７）の何れか１項に記載の照明装置を備えることを特徴とする。

上記リフレクタミラーに特徴がある照明装置を車両用灯具に用いることで、光源の光を効率的に利用して、車両の前方に所望の配光パターンを投影することができる。

本実施形態の照明装置の全体構成を示す図。照明装置（第１光学系）の詳細を説明する図。照明装置（第１光学系）の詳細を説明する図（変更形態）。照明装置のシステム制御を説明する図。（ａ）リフレクタミラーを説明する図。（ｂ）反射光の輝度断面を説明する図。（ｃ）配光パターン１を説明する図。（ｄ）配光パターン２を説明する図。（ｅ）配光パターン３を説明する図。

図１は、本発明の実施形態に係る照明装置１の全体構成を示す図である。

図示するように、照明装置１は、光源４、光偏向器５等を含む第１光学系２Ａと、投影レンズ１０を含む第２光学系２Ｂとからなる。この照明装置１は、例えば、車両用のヘッドライト（車両用灯具）として用いられる。

まず、第１光学系２Ａは、光源４，１４と、光偏向器５，１５と、リフレクタミラー７，１７と、蛍光体プレート８とで構成されている。光源４は、光偏向器５及びリフレクタミラー７に対応し、光源１４は、光偏向器１５及びリフレクタミラー１７に対応する。ここでは、光源、光偏向器及びリフレクタミラーの組合せが２セットで構成される例を示したが、３セット以上あってもよい。

光源４，１４は、中心波長が約４５０ｎｍのレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）であり、青色光を出射する。なお、光源として、並列された発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）を用いてもよいし、ＲＧＢで混色させたレーザ光を照射するレーザ照射器を用いてもよい。

光偏向器５，１５は、二次元的に傾倒可能なＭＥＭＳミラー５ａ，１５ａ（本発明の「回動ミラー」）を備え、光源４，１４から出射された光を所定の角度範囲に反射して走査する。光偏向器５，１５は、ＭＥＭＳミラー５ａ，１５ａの中央部に光が入射するように、光軸上に配設されている。このようなＭＥＭＳミラー５ａ，１５ａを備えた光偏向器としては、例えば、特開２００５−１２８１４７号公報や特許第４０９２２８３号公報に記載された公知の構成のミラーを適用することができる。

リフレクタミラー７，１７は、光偏向器５，１５からの光（走査光）が蛍光体プレート８に入射するように、光軸上に配設されている。なお、リフレクタミラー７，１７の詳細は後述する。

蛍光体プレート８（本発明の「波長変換部」）は、サファイア基板上に一定の膜厚で蛍光体（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋）が塗布された平板である。蛍光体は、光源４，１４から出射された青色光が照射されることで励起され、青色光と補色の関係にある黄色光を発する蛍光材料である。このため、この蛍光体プレート８からは、青色光と黄色光とが混色した白色光が出射される。本実施形態の蛍光体プレート８は散乱材を含み、光の入射角度の影響が小さくなっている。なお、蛍光体プレート８の破線部分は、リフレクタミラー７，１７からの光が入射する、配光パターンを生成するための配光形成領域８ａである。

また、第２光学系２Ｂは、投影レンズ１０と、投影レンズ１０を保持するレンズホルダ１１とで構成されている。

投影レンズ１０（本発明の「光学部材」）は４枚のレンズ１０ａ〜１０ｄからなり、各レンズ１０ａ〜１０ｄがレンズホルダ１１に保持されている。各レンズ１０ａ〜１０ｄは、歪み等を抑えて配光パターンの解像度を向上させる役割がある。蛍光体プレート８に最も近いレンズ１０ａは、その後側焦点が蛍光体プレート８の位置となるように配置されている。

投影レンズ１０は４枚の構成に限られず、特に、蛍光体プレート８が曲面状であれば、より少ない数のレンズで配光パターンを投影することができる。また、投影レンズ１０は、蛍光体プレート８からの光の収差を抑え、像を拡大しつつ前方へ反転投影する。そして、仮想鉛直スクリーンＳ（照明装置１の前方約２５ｍの位置に配置）上に、所定形状の配光パターンが生成される。

次に、図２を参照して、照明装置１の第１光学系２Ａの詳細を説明する。以下では、光源４の側（図の左側）を説明するが、光源１４の側も構成、効果は同じである。

図示するように、制御基板２５には、光源４が設けられている。光源４から出射された光は、光偏向器５のＭＥＭＳミラー５ａに入射して、光が所定角度に走査される。なお、光源４の前面側に、光源４から出射された光を集光する集光レンズを設けてもよい。ＭＥＭＳミラー５ａで反射され、走査された光は、その後、リフレクタミラー７に入射する。

必須の構成ではないものの、本実施形態では、光偏向器５とリフレクタミラー７との間に補正レンズ６が配設されている。当該走査された光は、ＭＥＭＳミラー５ａの速度が走査範囲の中央と端部とで異なることから、スポットサイズが変化することがあり、最終的な配光パターンに悪影響を及ぼす可能性がある。補正レンズ６は、当該走査された光のスポットサイズの差異を補正し、配光パターンを鮮明にする効果がある。

リフレクタミラー７は、曲面形状が互いに異なる３つの曲面領域（後述する領域Ｒ１〜Ｒ３）を有している。当該走査された光は、曲面領域の何れか１つに入射し、当該曲面領域で反射された光が蛍光体プレート８を照射する。そして、当該曲面形状に応じた、配光パターンの元となる二次元像（白色の像）の光が蛍光体プレート８を透過し、投影レンズ１０（図示省略）に入射する。

また、リフレクタミラー７の３つの曲面領域は、互いに異なる傾斜を有している（法線の角度が異なる）。この傾斜により、各曲面領域によって反射された光は、蛍光体プレート８の同じ領域（配光形成領域８ａ）を照射するため、投影レンズ１０を介して前方に投影される配光パターンは、その中心が一致するようになる。

図３は、透過型の蛍光体プレート８の代わりに、反射型の蛍光体プレート９を採用した変更形態（第１光学系２０Ａ）を示している。

蛍光体プレート８（図２参照）を用いる場合、蛍光体プレート８に対してリフレクタミラー７と対向する側に投影レンズ１０が配設される。一方、蛍光体プレート９を用いる場合、蛍光体プレート９に対してリフレクタミラー７と同じ側に投影レンズ１０が配設される。なお、蛍光体プレート９の破線部分は、リフレクタミラー７からの光が入射する、配光パターンを生成するための配光形成領域９ａである。

蛍光体プレート９で反射された二次元像は、投影レンズ１０に入射するように、光源４用の制御基板２５ａ、光源１４用の制御基板２５ｂに分離して、二次元像がその間を通過するようにする。なお、二次元像が投影レンズ１０を介して配光パターンが生成される点、リフレクタミラー７の何れの曲面領域で反射された光によっても配光パターンの中心が一致する点は同じである。

次に、図４を参照して、照明装置１のシステム制御、特に、光偏向器５，１５の制御について説明する。

制御基板２５上には、上述の光源４，１４、その制御回路に加えて、光偏向器５，１５のＭＥＭＳミラー５ａ，１５ａを制御するミラー制御用電子回路３０が搭載されている。また、ミラー制御用電子回路３０は、ミラー制御用ＩＣ３１と初期特性データ記憶素子３２とで構成されている。

ミラー制御用ＩＣ３１は、ミラー制御用のソフトウェアによりＭＥＭＳミラー５ａ，１５ａの制御信号（正弦波電圧）を生成し、光偏向器５，１５の圧電アクチュエータに当該制御信号を送信する。その際、ミラー制御用ＩＣ３１は、初期特性データ記憶素子３２に記憶されたＭＥＭＳミラー５ａ，１５ａの初期特性データを参照する。これにより、ミラー制御用電子回路３０は、ＭＥＭＳミラー５ａ，１５ａの動作を制御することができる。

このとき、ミラー制御用電子回路３０は、ＭＥＭＳミラー５ａ，１５ａを垂直軸方向に変位させたうえで、ＭＥＭＳミラー５ａ，１５ａを回動させる（いわゆる、Ｖ軸オフセット）ように制御する。このように、ＭＥＭＳミラー５ａ，１５ａの角度範囲を制御することで、リフレクタミラー７，１７の曲面領域Ｒ１〜Ｒ３の使い分けを行う。最後に、仮想鉛直スクリーンＳ（図示省略）上に、各曲面領域の曲面形状に応じた配光パターン（後述する配光パターン１〜３）が生成される。

次に、図５を参照して、照明装置１のリフレクタミラー７，１７と、最終的に得られる配光パターンについて説明する。

まず、図５（ａ）は、リフレクタミラー７，１７を上方から見た図を示している。リフレクタミラー７，１７は、曲面形状（自由曲面、放物面、曲率が異なる複数の凹凸を有する面等）が互いに異なる３つの曲面領域Ｒ１〜Ｒ３を有している。上述したように、光偏向器５，１５で走査された光は、ミラー制御用電子回路３０による制御（Ｖ軸オフセット）により、曲面領域Ｒ１〜Ｒ３の何れかの領域に入射する。

例えば、当該走査された光が曲面領域Ｒ１に入射し走査された場合、曲面領域Ｒ１に特有の曲面形状により、反射光が所定の位置に集光され、輝度断面は図５（ｂ）の上段（図５（ａ）のＡ１−Ａ１断面に対応）のようになる。なお、走査時において、光源４の出力を変化させる必要はないので、従来の方式と比較して制御は簡易となっている。

そして、曲面領域Ｒ１の反射光が蛍光体プレート８を照射し、最終的に図５（ｃ）の配光パターン１（中心座標Ｏ_１）が仮想鉛直スクリーンＳに投影される。配光パターン１は輝度断面（図５（ｂ）上段）に応じた配光であり、左側の楕円部分の光強度が強くなり、強度分布（等強度線）は破線で示す通りとなる。照明装置１を車両用灯具として利用した場合、当該配光パターン１は、車両が左カーブを走行する際に用いられる。

また、光偏向器５，１５からの光が曲面領域Ｒ２に入射し走査された場合、曲面領域Ｒ２に特有の曲面形状により、反射光が所定の位置に集光され、輝度断面は図５（ｂ）の中段（図５（ａ）のＡ２−Ａ２断面に対応）のようになる。

曲面領域Ｒ２の反射光が蛍光体プレート８に照射された場合、最終的に図５（ｄ）の配光パターン２（中心座標Ｏ_２）が仮想鉛直スクリーンＳに投影される。配光パターン２は、輝度断面（図５（ｂ）中段）に応じて中央の楕円部分の光強度が強くなり、強度分布は破線で示す通りとなる。なお、配光パターン２は、例えば、車両が直進する際に用いられる。

また、当該光が曲面領域Ｒ３に入射し走査された場合、曲面領域Ｒ３に特有の曲面形状により、反射光が所定の位置に集光され、輝度断面は図５（ｂ）の下段（図５（ａ）のＡ３−Ａ３断面に対応）のようになる。

曲面領域Ｒ３の反射光が蛍光体プレート８に照射された場合、最終的に図５（ｅ）の配光パターン３が仮想鉛直スクリーンＳに投影される。配光パターン３（中心座標Ｏ_３）は、輝度断面（図５（ｂ）下段）に応じて右側の楕円部分の光強度が高くなり、強度分布は破線で示す通りとなる。なお、配光パターン３は、例えば、車両が右カーブ走行する際に用いられる。

このように、リフレクタミラー７，１７の曲面領域Ｒ１〜Ｒ３は、それぞれ配光パターン１〜３を生成する。すなわち、曲面領域Ｒ１〜Ｒ３は、固有の強度分布（光強度のグラデーション）を生じさせる曲面形状を有している。

さらに、曲面領域Ｒ１〜Ｒ３は、それぞれ互いに異なる傾斜を有しているため、光が蛍光体プレート８の同じ領域（配光形成領域８ａ）を照射する。このため、最終的に生成される配光パターン１〜３の各中心座標Ｏ_１〜Ｏ_３も、仮想鉛直スクリーンＳで重なるようになる。

上記実施形態の照明装置１は、車両用灯具のみならず、小型のプロジェクタ装置や、光により対象物までの距離を計測するＬｉＤＥＲ装置にも利用することができる。

また、以上の説明では、リフレクタミラーが３つの曲面領域に分離されている例を示したが、少なくとも２以上の互いに異なる曲面領域を有していればよい。例えば、曲面領域を５つとすれば、５つの配光パターンが得られる。曲面領域を２つとして、ロービーム用及びハイビーム用の配光パターンが得られるようにしてもよい。また、各曲面領域は、その面積が異なっていてもよい。

光源や光偏向器の数、１つの光偏向器に光を照射する光源の数は適宜変更可能であり、必要な配光パターンの光強度に応じて選択すればよい。光偏向器が複数ある場合、それぞれの光偏向器で照射領域を異ならせて、配光パターンを生成する役割を分担してもよい。

上記実施形態では、いわゆる励起光源を用いているが、光源の色そのものを照射するような光源を用いてもよい。この場合、蛍光体（投影体）は不要となり、光源からの光がそのまま照射される。また、蛍光体に代えて、透光性の拡散板を用いてもよい。さらに、光源は、１つのまとまった光線を照射すればよく、例えば、ファイバで光を導くようにしてもよい。ファイバに導く光は、ＲＧＢで混色された白色光でもよい。

１…照明装置、２Ａ，２０Ａ…第１光学系、２Ｂ…第２光学系、４，１４…光源、５，１５…光偏向器、５ａ，１５ａ…ＭＥＭＳミラー、６，１６…補正レンズ、７，１７…リフレクタミラー、８…蛍光体プレート（透過型）、８ａ…配光形成領域（透過型蛍光体プレート）、９…蛍光体プレート（反射型）、９ａ…配光形成領域（反射型蛍光体プレート）、１０…投影レンズ、１１…レンズホルダ、２５，２５ａ，２５ｂ…制御基板、３０…ミラー制御用電子回路、３１…ミラー制御用ＩＣ、３２…初期特性データ記憶素子。

Claims

所定の配光パターンを生成する照明装置であって、
光を出射する光源と、
回動ミラーを有し、前記光源から出射された光を前記回動ミラーによって所定の角度範囲に反射して走査する光偏向器と、
前記配光パターンを生成するための配光形成領域を有し、前記光偏向器で走査された光の波長を変換する波長変換部と、
前記波長変換部からの光を制御して、前記配光パターンを投影する光学部材と、
前記光偏向器からの光が前記波長変換部に入射するように配設されたリフレクタミラーと、を備え、
前記リフレクタミラーは、曲面形状が互いに異なる複数の曲面領域を有し、
前記複数の曲面領域は互いに異なる傾斜を有して配置され、前記光偏向器により走査され、前記複数の曲面領域の各々によって反射された光は前記波長変換部の前記配光形成領域を照射することを特徴とする照明装置。
前記複数の曲面領域のうち少なくとも１つは、当該曲面領域で反射された光が前記配光形成領域上で強度分布をなす曲面形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記光偏向器を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記複数の曲面領域のうち１つに光が照射されるように前記回動ミラーの角度範囲を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
前記光源、前記光偏向器及び前記リフレクタミラーのセットを複数備えていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の照明装置。
前記回動ミラーで反射された光の、走査によるスポットサイズの変化を補正する補正レンズを備えていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の照明装置。
前記波長変換部は、光透過型であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の照明装置。
前記波長変換部は、光反射型であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の照明装置。
請求項１〜７の何れか１項に記載の照明装置を備える車両用灯具。