JP2022031547A

JP2022031547A - 車両用灯具

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Publication number: JP2022031547A
Application number: JP2021214117A
Authority: JP
Inventors: 和也本橋; Kazuya Motohashi
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2037-09-20
Also published as: JP7267392B2

Abstract

【課題】照明領域の境界を明確にすることが可能な鮮鋭度の高い投影レンズを備えた車両用灯具を提供する。
【解決手段】光源から出射した光を投影する投影レンズ４を含む車両用灯具であって、投影レンズは正の屈折力を有する両凸レンズからなる第１レンズ４１と、負の屈折力を有する両凹レンズからなる第２レンズ４２と、正の屈折力を有する両凸レンズからなる第３レンズ４３とを含むトリプレットレンズで構成される。第１レンズ４１と第２レンズの第１レンズ間距離ｔ１と、第２レンズ４２と第３レンズ４３の第２レンズ間距離ｔ２と、投影レンズ４のレンズ総厚Ｔとが、０．０３＜ｔ１／Ｔ＜０．１、及び０．０３＜ｔ２／Ｔ＜０．１の関係にある。
【選択図】図６

Description

本発明は自動車等の車両に用いられる灯具に関し、特にＡＤＢ（Adaptive Driving Beam）配光制御が可能な前照灯（ヘッドランプ）に適用して好適な車両用灯具に関するものである。

自動車のヘッドランプとして、自車両の前方領域の照明効果を高める一方で、当該前方領域に存在する先行車や対向車等の自車両の前方領域に存在する車両（以下、前方車両と称する）に対する眩惑を防止する配光を得るための手法の一つとして、ＡＤＢ配光制御が提案されている。このＡＤＢ配光制御では、車両位置検出装置によって前方車両を検出し、検出した前方車両が存在する領域の光量を低減あるいは消灯し、それ以外の広い領域を明るく照明する制御が行われる。

近年ではこのＡＤＢ配光制御はＬＥＤ等の発光素子を光源とするヘッドランプにも適用されており、光源としての複数個のＬＥＤからの光、すなわち各ＬＥＤのそれぞれの照明領域を合成して自車両の前方領域を照明するための配光を形成している。そして、前方車両を検出したときには、検出した前方車両に対応する照明領域のＬＥＤを減光あるいは消灯する構成がとられている。

このようなＡＤＢ配光制御では、複数個のＬＥＤから出射された白色光を投影レンズで自車両の前方領域に投影して複数の照明領域を形成し、これらの照明領域を適宜組み合わせて合成することで所要の照明領域を形成している。しかし、投影レンズによる球面収差、例えば色収差により、各照明領域の周縁部に光の分散が発現し、照明領域における視認性の低下が生じることがある。

特許文献１には、投影レンズの球面収差、特に色収差を改善するために、凸レンズと凹レンズからなるダブレットレンズを採用し、これら凸レンズと凹レンズとの間に間隙を設けた投影レンズが提案されている。また、凸レンズと凹レンズの各面を非球面で構成した投影レンズも提案されている。

特開２０１５－２２２６８７号公報

特許文献１の投影レンズは、色収差の改善には有効であるが、非点収差やコマ収差には必ずしも十分ではなく、これらの収差によって複数の照明領域のそれぞれの周縁部、ないしは合成された照明領域の周縁部の鮮鋭度が低下され、照明領域の境界があいまいになる。そのため、ＡＤＢ制御を実行した場合に、減光あるいは消光した領域に隣接する照明領域の境界の光が前方車両に向けて照射されることがあり、前方車両を眩惑するおそれが生じる。

本発明の目的は、照明領域の境界を明確にすることが可能な鮮鋭度の高い投影レンズを備えた車両用灯具を提供するものである。

本発明の車両用灯具は、光源と、光源から出射した光を投影する投影レンズを含む車両用灯具であって、前記投影レンズは正の屈折力を有する両凸レンズからなる第１レンズと、負の屈折力を有する両凹レンズからなる第２レンズと、正の屈折力を有する両凸レンズからなる第３レンズとを含むトリプレットレンズで構成され、前記第１レンズと前記第２レンズの第１レンズ間距離ｔ１と、前記第２レンズと前記第３レンズの第２レンズ間距離ｔ２と、前記投影レンズのレンズ総厚Ｔとが、０．０３＜ｔ１／Ｔ＜０．１、及び０．０３＜ｔ２／Ｔ＜０．１の関係にある。

本発明の車両用灯具の好ましい形態として、前記光源は複数の発光素子で構成され、各発光素子から出射される光を前記投影レンズで投影してそれぞれ対応する複数の照明領域を形成する。また、前記複数の発光素子を個別に発光制御してＡＤＢ配光制御を行う構成とする。

本発明によれば、トリプレットレンズで構成される投影レンズの、第１レンズと第２レンズの第１レンズ間距離ｔ１と、第２レンズと第３レンズの第２レンズ間距離ｔ２と、投影レンズのレンズ光軸上のレンズ総厚Ｔとを所定の関係式を満たすように設計することにより、投影レンズの球面収差を抑制し、鮮鋭度を高めることができる。

本発明を適用したヘッドランプの概略縦断面図。投影レンズの前方から見た透視的な概略図。投影レンズの断面図。凸レンズと凹レンズの各面の設計式と設計値。ＬＥＤチップから出射される光を合成した配光パターン図。投影レンズの各部の寸法を説明する概念図と、実施形態のレンズのスポット半径の測定値を示すグラフ。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明を、ＡＤＢ配光制御を適用した自動車のヘッドランプＨＬに適用した概念構成の縦断面図である。なお、以後の説明において、前又は後についてはヘッドランプＨＬにおける光源側を後、ヘッドランプＨＬの前方側を前と称する。

前記ヘッドランプＨＬは、ランプボディ１１と、透光性材料からなる前面カバー１２とで形成されているランプハウジング１内にランプユニット２が内装されている。このランプユニット２は、内面が光反射面として形成されたユニットケーシング２１に内装かつ支持された光源３と投影レンズ４を有しており、光源３から出射した光を投影レンズ４により自動車の前方領域に照射して所望の配光を得るように構成されている。

図２は前記投影レンズ４を前方から見たときの透視的な概略図であり、図１にも示したように、前記光源３はヒートシンク３２に支持されている基板３１に複数個の発光素子３０、ここでは９個の白色光を発光するＬＥＤ（発光ダイオード）チップ３０１～３０９が搭載されている。これらのＬＥＤチップ３０１～３０９は、上下二段に、すなわち上段には４個のＬＥＤチップ３０１～３０４が、下段には５個のＬＥＤチップ３０５～３０９がそれぞれ水平方向に配列された状態で搭載されている。これらのＬＥＤチップ３０１～３０９が発光したときに、それぞれから出射される光は直接、あるいは前記ユニットケーシング２１の内面で反射されて投影レンズ４に向けられる。

図１に示したように、前記ＬＥＤチップ３０１～３０９は基板３１を通して発光回路５に接続されており、この発光回路５によって個別に発光、消光、さらには発光光度が変化できるように制御される。前記発光回路５には運転者が操作する照明スイッチ５１が接続されており、この照明スイッチ５１により、ロービーム配光、ハイビーム配光、ＡＤＢ配光が切り替え設定できるように構成されている。また、この発光回路５はＡＤＢ制御を実行するための車載カメラ５２が接続されており、当該車載カメラ５２で撮像した自動車の前方画像から前方車両を検出し、当該前方車両を眩惑しない配光制御を実行するように構成されている。

図３に示すように、前記投影レンズ４はトリプレットレンズで構成されており、ランプ前側から順に、正の屈折力を有する両凸レンズからなる第１レンズ４１と、負の屈折力を有する両凹レンズからなる第２レンズ４２と、正の屈折力を有する両凸レンズからなる第３レンズ４３とで構成されている。その上で、これら第１レンズ４１～第３レンズ４３は同軸配置されるとともに、前記第１レンズ４１と第２レンズ４２との間、及び第２レンズ４２と第３レンズ４３との間にはレンズ光軸Ｌｘに沿った方向の間隙が確保されている。そして、この投影レンズ４のランプ後側の焦点Ｆｏの近傍に前記光源３、すなわち前記各ＬＥＤチップ３０１～３０９が配設されている。

ここで、図６を参照して後述するが、第１レンズ４１と第２レンズ４２のレンズ光軸上でのレンズ間距離を第１レンズ間距離ｔ１とし、第２レンズ４２と第３レンズ４３のレンズ光軸Ｌｘ上でのレンズ間距離を第２レンズ間距離ｔ２とする。また、レンズ光軸Ｌｘ上における第１レンズ４１の第１面Ｓ１から第３レンズ４３の第６面Ｓ６までの距離（寸法）を投影レンズ４のレンズ総厚Ｔとする。

前記投影レンズ４を構成している第１レンズ４１ないし第３レンズ４３は樹脂あるいはガラス等の透光材料で構成されているが、第１レンズ４１と第３レンズ４３は第２レンズ４２よりも低屈折率で低分散（高アッベ数）の透光材料で形成されている。例えば、第１レンズ４１と第３レンズ４３はクラウンガラスで形成され、第２レンズ４２はフリントガラスで形成される。あるいは、第１レンズと第３レンズはＰＭＭＡ（アクリル樹脂)で形成され、第２レンズ４２はポリカーボネート樹脂で形成される。

前記投影レンズ４は、色収差、非点収差、コマ収差を低減するために、第１レンズ４１の前面（第１面）Ｓ１と後面（第２面）Ｓ２、第２レンズ４２の前面（第３面）Ｓ３と後面（第４面）Ｓ４、第３レンズ４３の前面（第５面）Ｓ５と後面（第６面）Ｓのうち、少なくとも第１面Ｓ１から第５面Ｓ５は非球面に設計されている。なお、この実施形態では第１面Ｓ１から第６面Ｓ６の全てを図４に示す非球面定義式（１）に基づいて非球面に設計されている。ここで、ｚはサグ量、ｒは光軸からの径方向寸法、Ｒは曲率半径、ｋはコーニック定数、α_１～α_２は非球面係数である。

以上の構成の投影レンズ４を備える実施形態のヘッドランプＨＬでは、運転者によるランプスイッチ５１の切替え等によってロービーム配光制御あるいはハイビーム配光制御に設定される。ロービーム配光制御のときには、発光回路５での制御により上段の４つのＬＥＤチップ３０１～３０４が発光される。これらのＬＥＤチップ３０１～３０４から出射された白色光は投影レンズ４により自動車の前方領域に照射され、図５において、照明領域Ｐ１～Ｐ４が合成された配光、すなわちレンズ光軸Ｌｘを通る水平線Ｈにほぼ沿ったカットオフラインよりも下側領域を照明するロービーム配光が形成される。

ハイビーム配光制御のときには、発光回路５での制御によりさらに下段の５つのＬＥＤチップ３０５～３０９が発光される。これらＬＥＤチップ３０５～３０９の白色光は投影レンズ４により自動車の前方領域に照射され、照明領域Ｐ５～Ｐ９が合成された配光となる。この配光は前記したロービーム配光Ｐ１～Ｐ４と合成され、広い領域を照明するハイビーム配光が形成される。

一方、運転者によってＡＤＢ配光制御に設定されたときには、発光回路５は原則としてハイビーム配光の制御を行うとともに、車載カメラ５２で撮像した画像に基づいて自動車の前方領域に存在する前方車両を検出する。そして、検出した前方車両と重なる照明領域、特に照明領域Ｐ５～Ｐ９と重なる領域に対応したＬＥＤチップを減光あるいは消光するように制御する。これにより、前方車両が属する照明領域が選択的に遮光されて前方車両に対する眩惑を防止する一方で、他の照明領域での視認性を高めたＡＤＢ配光が実行される。

ここで、各ＬＥＤチップ３０１～３０９から出射された光で自動車の前方の広い領域をより明るく照明するためには、投影レンズ４の焦点距離をなるべく短くし、かつＦナンバー（＝ｆ／Ｄ）を小さくすることが好ましい。そのため、この実施形態では、図６（ａ）に示すように、焦点距離ｆを５７ｍｍ、レンズ径Ｄを６７ｍｍに設計している。これにより、Ｆナンバーはほぼ０．８４となり、照明領域の照度を高めることができる。

一方、この投影レンズ４において焦点距離ｆをなるべく短くするためには、第１レンズ４１と第３レンズ４３の正の屈折力をより大きくし、また第１レンズ間距離ｔ１と第２レンズ間距離ｔ２を大きくする必要がある。しかし、このように第１レンズ間距離ｔ１と第２レンズ間距離ｔ２を大きくすると、第２レンズ４２の負の屈折力を大きくする必要が生じ、この屈折力を大きくすることにより非点収差、あるいは高次のコマ収差が顕著になり易く、投影レンズ４の鮮鋭度が劣化する。

投影レンズにおける色収差、あるいは非点収差やコマ収差が顕著になると、光源から出射されて自動車の前方に投影される光源像にいわゆる「ぼけ」が生じ、集光される光のスポット径が大きくなる。そのため、本発明のようなランプユニット２の場合には、図５に示した各照明領域Ｐ１～Ｐ９の斜線を付した周辺部、特にレンズ光軸Ｌｘから離れた辺部において鮮鋭度が低下し、各照明領域の境界があいまいになり、視認性の低下や配光品質の低下が目立ち、かつ前方車両を眩惑するおそれが生じる。

そこで、投影レンズ４の第１面Ｓ１～第６面Ｓ６を前記のように設計した上で、前記した第１レンズ間距離ｔ１と第２レンズ間距離ｔ２を変化させながら鮮鋭度の変化を測定した。ここでは、投影レンズ４の前側、すなわち図６（ａ）の左側から所定の光束径の光を入射し、右側の焦点位置Ｆｏに集光する光のスポット半径を測定した。すなわち、スポット半径が小さくなるほど鮮鋭度が高くなるからである。なお、ここでは第１レンズ間距離ｔ１と第２レンズ間距離ｔ２を等しくし、両者共通のレンズ間距離ｔとして測定している。

測定によると、図６（ｂ）に示すように、レンズ総厚Ｔに対するレンズ間距離ｔの比、すなわちｔ／Ｔが０．０３＜ｔ／Ｔ＜０．１の範囲ではスポット半径をほぼ２５μｍ以下にできることが判る。すなわち、鮮鋭度の高い投影レンズが得られる。

ｔ／Ｔをこれよりも大きくするとスポット半径が増大し、投影レンズ４の鮮鋭度が低下する。一方、ｔ／Ｔが０．０３よりも小さくなると、隣接するレンズが接近して互いに干渉し、レンズ光軸外や瞳端の光が通らなくなり、スポットに集光しなくなる。したがって、この理由によっても投影レンズ４の鮮鋭度が低下する。

なお、図示は省略するが、ｔ１とｔ２を相違させた場合においても、ｔ１／Ｔとｔ２／Ｔを前記と同様に、０．０３＜ｔ１／Ｔ＜０．１及び０．０３＜ｔ２／Ｔ＜０．１を満たすように設定することにより、スポット半径を抑制し、鮮鋭度の高い投影レンズが得られる。

このように第１レンズ間距離ｔ１と、第２レンズ間距離ｔ２について前記した関係を満たすように投影レンズ４を設計したことにより、図５に示した各照明領域Ｐ１～Ｐ９の斜線を付した周辺部の鮮鋭度が向上し、各照明領域の境界が明確なものになる。これにより、照明領域での視認性が向上するとともに、照明領域の境界領域に存在する前方車両に対する眩惑を確実に防止することができる。

以上説明した実施形態では、投影レンズのＦナンバーが０．８４の例を説明したが、前記したｔ／Ｔにかかわる条件式を満たすのであれば、Ｆナンバーが１．０よりも小さい投影レンズに適用することにより、投影レンズを大型化することなく、すなわちレンズ総厚やレンズ径を極端に大きくすることなく、鮮鋭度を改善することができる。

本実施形態においては、第１面から第６面の全てを非球面に設計した例を説明したが、本発明では、少なくとも第１面から第５面が非球面であればよく、したがって第６面は球面であっても良い。また、第１レンズと第３レンズの凸レンズ、及び第２レンズの凹レンズは両面が同じ方向に湾曲しているメニスカスレンズの場合でも本発明を適用することができる。

本実施形態は光源を９個のＬＥＤチップで構成してＡＤＢ配光を形成した例を示したが、このＡＤＢ配光に限られるものではなく、ＬＥＤチップの個数や照明領域の個数、さらには個々の照明領域のパターン形状は任意に設定することができる。また、光源として、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）ミラーアレイを用いたヘッドランプに適用することもできる。

ＨＬヘッドランプ
１ランプハウジング
２ランプユニット
３光源
４投影レンズ
５発光回路
４１凸レンズ（第１レンズ）
４２凹レンズ（第２レンズ）
４３凸レンズ（第３レンズ）
３０１～３０９ＬＥＤチップ（発光素子）
Ｓ１～Ｓ６第１面～第６面
ｔ１，ｔ２レンズ間距離
Ｔレンズ総厚

Claims

光源と、光源から出射した光を投影する投影レンズを含む車両用灯具であって、前記投影レンズは正の屈折力を有する両凸レンズからなる第１レンズと、負の屈折力を有する両凹レンズからなる第２レンズと、正の屈折力を有する両凸レンズからなる第３レンズとを含むトリプレットレンズで構成され、前記第１レンズと前記第２レンズの第１レンズ間距離ｔ１と、前記第２レンズと前記第３レンズの第２レンズ間距離ｔ２と、前記投影レンズのレンズ総厚Ｔとが、０．０３＜ｔ１／Ｔ＜０．１、及び０．０３＜ｔ２／Ｔ＜０．１の関係にあることを特徴とする車両用灯具。
前記第１レンズ及び第３レンズは前記第２レンズよりも低分散の透光材料で構成される請求項１に記載の車両用灯具。
前記第１レンズ間距離ｔ１と、前記第２レンズ間距離ｔ２は相違する請求項１又は２に記載の車両用灯具。
前記投影レンズのＦナンバーは１．０よりも小さい請求項１ないし３のいずれかに記載の車両用灯具。
前記光源は複数の発光素子で構成され、各発光素子から出射される光を前記投影レンズで投影してそれぞれ対応する複数の照明領域を形成する請求項１ないし４のいずれかに記載の車両用灯具。
前記複数の発光素子を個別に発光制御してＡＤＢ配光制御を行う請求項５に記載の車両用灯具。