JP2022552391A - 光学系 - Google Patents

Abstract

照明モジュール用の光学装置。本発明は、光学装置、および、複数の発光素子（１１）と当該光学装置とが設けられた光源（１）を備える照明モジュールに関するものである。装置のレンズの一面が凹型パターン（２３）の配列を備えている。それぞれの凹型パターン（２３）が、最適化された配光を作り出すように特定のプロファイルで構成されている。当該プロファイルは、特に回転対称性を有している。

Description

本発明は、照明および／または合図用の装置と、その装置に含まれる光学的な構成要素に関するものである。その発明は、自動車両の分野に特に有利に適用可能なものである。

自動車両の部門においては、一般的に規制に従った光ビーム（照明および／または合図用の機能とも呼ばれる）を発することのできる装置類が知られている。

近年、先進的照明機能を実施するためにセグメント化されたビーム（ピクセル化されたビームとも呼ばれる）を作り出すことを可能とする技術が開発されてきている。これは、特に「補助的走行用」照明機能についての場合に当て嵌まる。その機能は概して、各自が１つの発光ダイオードを備える複数の照明ユニット（それらのダイオードが個別に駆動され得るもの）に基づいている。このビームは特に、下向きのビームによってもたらされる照明を補って走行用の照明を形成するために用いられ得る。

ダイオードのそれぞれによって生成される種々のビームセグメント同士から結果として得られるビームは、一般的に１つないし複数のレンズを備えた投射光学系を用いて投射される。例えば、基礎的なビームと組み合わされる補助的走行用ビームを作り出すことが可能である。その基礎的なビームは、下向きヘッドライト機能のために用いられる型式の水平なカットオフ・ラインの下に、全てが、或いは少なくとも殆どが投射されるものである。補助的走行用ビームは、カットオフ・ラインの上で基礎的なビームを補足するように、その基礎的なビームへ付加されるのである。この補助的走行用ビームは、投射ビーム全体のうち一定部分を（例えば、防眩機能のために）点灯させたり消灯させたりするように適応可能であることが有利である。この種の機能に対して、（アダプティブ・ドライビング・ビーム（配光可変走行用ビーム）の）頭字語ＡＤＢが用いられている。

本明細書において、セグメント化されたビームとは、そのビームの投射がビームセグメント同士で構成される像を形成し、各セグメントが個別に点灯できるものであるところのビームに与えられる名称である。これらのセグメントを形成するのにピクセル化光源が用いられ得る。そのような光源は、選択的に作動可能な複数の発光素子を備えている。

発光素子同士が、支持体上に互いに隣り合って（一定のピッチで）配置されている。これらの素子同士の間の間隔は、隣り合う発光素子によって投射されるセグメント同士が完全な連続性を成すことはない、ということを意味する。この間隔は、セグメント同士を繋ぐ各領域に暗くなる部分を伴って移り変わるコントラストに帰着する。この現象がビーム全体の質を低下させてしまう。そして、当該照明機能用の仕様を満たすためには、ある閾値（典型的には、マイケルソンの式を用いて算出されるコントラストについて５％未満）を下回るコントラスト・レベルを達成する必要がある。

それと同時に、これらの移り変わりを弱めるために各セグメントの輪郭をぼかすことを考える場合には、このことが、セグメント同士を繋ぐことによって形成される全体ビームの輪郭が同様に鮮明でないことに結びついてしまう。しかしながらＡＤＢ機能においては、この鮮明性が望まれるのである。それは、必要以上に多くの発光素子を消灯させることなく、他の運転者らが幻惑されない区域を効果的に画定するためである。

従って、本発明の１つの目的は、ピクセル化光源から到来する光線を処理するための光学系であって、セグメント化されたビームの十分に鮮明な輪郭と、ビーム内の明るさの適切な均質性とをもたらす光学系を提案することである。

本発明のその他の目的、特徴、および利点は、以下の説明および添付図面を考察すれば明らかとなるであろう。その他の利点が具体化され得ることを理解されたい。

この目的を達成するために、一実施形態によれば、選択的に点灯可能な複数の発光素子を備えるピクセル化光源と相互作用することのできる、光ビームを投射するための光学装置であって、レンズを具備し、そのレンズの第１面が凹型パターンの配列を備えている装置において、
各パターンが、
－ 第１面に対しての局部法線方向を包含する任意の平面内において、２つの区域同士、特に第１区域と第２区域とで局部法線について対称なプロファイルを画定するよう、局部法線方向についての回転対称性を呈し、
－ ２つの区域のそれぞれが２つの部分を備え、第１区域の基端側部分が第２区域の基端側部分との底部接合点を有し、第１区域の基端側部分が第１区域の先端側部分との第１中間接合点を備えると共に、第２区域の基端側部分が第２区域の先端側部分との第２中間接合点を備え、
－ ２つの区域のそれぞれに関して、基端側部分と先端側部分とが、それらの部分同士の中間接合点について対称である、
ようになっている、ことを特徴とする光学装置がもたらされる。

この凹型パターンのプロファイル（縦断面形状）のおかげで、ビームの縁部の鮮明性がより良く制御され、ビームの広がりが（その角度が大きくなりすぎない有利性を伴って）調節される。例えば、広がりの角度が０．０２°以下とされ得る。

かくして、最適化された各パラメータでレンズ内の双方向透過率関数を満たすことが可能となる。

もう１つの態様は、光学装置と、選択的に点灯可能な複数の発光素子を備えるピクセル化光源とを具備した、特に自動車両用の照明モジュールに関するものである。特に、照明モジュールが、選択的に点灯可能な発光素子を備えるピクセル化光源を具備している場合、パターンの中間接合点についての当該パターンの対称性によって、レンズによるピクセル化光源の像内に、発光素子同士の間を繋ぐ領域が暗い部分を作り出さないよう、制御された広がりを保証することが可能となる。また、発光素子のうちの１つにおける不均質性に対応した色の不均質性が減じられ、ないしは完全に隠される。

もう１つの態様は、本発明による少なくとも１つのモジュールを装備した車両に関するものである。

本発明の目的、対象、特徴、および利点は、本発明の一実施形態の詳細な説明から、よりはっきりと明らかになるであろう。その実施形態は、以下の添付図面によって図解されている。

照明モジュールの模式図。 微細構造化されたレンズ面を示す図。 図２の詳細を示す図。 レンズの凹型パターンによって形成される微細構造の半分のプロファイルの説明図。 プロファイルの各構成角度を与える図。 凹型パターンの表面のある一点における立体角の概念を説明する図。 偏位を算出することの説明を与える図。 光源の出力の所での偏位（δ）を変えることによるレンズの異なる構成での、ビーム投射の結果を示す図。 光源の出力の所での偏位（δ）を変えることによるレンズの異なる構成での、ビーム投射の結果を示す図。

図面は例として与えられたものであって、本発明を限定するものではない。それらの図面は、本発明の理解を容易にするように企図された模式的で概念的な説明図であって、必ずしも実際に適用される縮尺で描かれたものではない。

特に別様に示されない限り、所与の一実施形態について詳細に説明される技術的な諸特徴は、非限定的な例として説明される別の諸実施形態の文脈で説明される技術的な諸特徴と組み合わされてもよい。

ここで、別々にか、任意の実現可能な組合せでかのいずれかで実施され得る選択肢への序論が与えられる：
－ 対称なプロファイルは、底部接合点２３３において、局部法線方向に直交する接線を呈していてよく、
－ このプロファイルは、底部点２３３における無限大の二次ドリフトに繋がっていてもよく、
－ 対称なプロファイルは、或いは第１区域の基端側部分２３１における以下の数式によって規定され、

i. Ｆ（ｙ）は、第２区域の基端側部分との底部接合点を局部法線方向ｚに沿った座標の原点として用いての、第１区域の基端側部分２３１におけるある一点の局部法線方向ｚに沿った座標であり、当該一点は、局部法線方向ｚに対して垂直な局部方向に沿った座標としてのｙを有しており、
ii. ｎは、レンズの材料の屈折率であり、
iii. ｋは定数であって、
－ 第１面は、或いはレンズ２の出光面２２であり、
－ 第１面は、随意に一平面によって保持され、
－ 第１面は、それに代えて球の一部分によって保持されており、
－ 出力における光線の最大偏向角γ_ｍａｘが、複数の発光素子１１のうちある１つの発光素子の幅以下、好ましくは半分の幅以下であることが有利であり、
－ パターン１１は、２μｍ未満の深さ寸法を有していてよく、
－ パターン１１は、第１面において１．５ｍｍ未満の直径を有していてよく、
－ レンズ２は投射レンズであってよい。

以下で説明される諸特徴において、鉛直方向性、水平方向性、および横断方向性（即ち、まさに横方向）、或いは、それらと等価のものは、照明モジュールが車両内へ取り付けられるように企図される姿勢に関して理解されるべきものである。用語「鉛直（な）」および「水平（な）」は本明細書において、用語「鉛直（な）」に関しては水平面に垂直な向きでの方向（これは、モジュールの高さに対応する）を、用語「水平（な）」に関しては水平面に平行な向きでの方向を示している。それらは、車両における装置の動作の条件下で考慮されるべきものである。これらの語の使用は、鉛直方向および水平方向についての僅かな変化が本発明から除外されることを意味するものではない。例えば、これらの方向に対する＋１０°ないし－１０°程度の傾きは、ここでは２つの優先的な方向についての些細な変化であると考えられる。水平面に関しては、原則として－５°から４°の間の傾きであり、横方向には－６°から７．５°の間である。

自動車両のヘッドランプには、１つないし複数の照明モジュールが備え付けられている。そ（れら）の照明モジュールは、ヘッドランプからの出力の所で１つないし複数の照明および／または合図用のビームを得るように、外側レンズによって閉じられたケーシング内に配置されている。単純化すれば、ケーシングにおける照明モジュールは特に、光ビームを放出する光源と、１つないし複数のレンズを備えた光学系と、（幾つかの場合には）光源によって発生した光線を方向付けるための光学素子（例えば、反射器）とを具備している。それは、光学モジュールから出力される光ビームを形成するためである。尾灯類についても状況は同様である。

本発明は走行用ビーム機能に寄与し得るものであるが、その機能の目的は、車両の前方の現場を広域に亘ってではあるが相当な距離（典型的には約２００メートル）に亘っても照らすことである。この光ビームは、その照明機能ゆえに、主に水平線より上に位置している。例えば、そのビームは僅かに上方へ傾いた照明光軸を有し得るのである。特に、それは近接型のビームによって作り出されるものに付加される走行用ビームの一部を形成する「補助的走行用」照明機能を生じさせるのに用いられ得る。補助的走行用ビームが（全体的に、ないしは少なくとも殆どが）水平線より上を照らそうとするものであるのに対して、（ロービームに特有の諸特徴を有し得る）近接型ビームは（全体的に、ないしは少なくとも殆どが）水平線より下を照らそうとするものである。

当該装置は、アダプティブ（配光可変）ビームに関して上述した諸機能を通じて、或いは、それらの機能とは別に、その他の照明機能を成すように用いられてもよい。

本発明のモジュールには、光学系を通じて投射されるべきセグメント化されたビームを生じさせるための、少なくとも１つの光源が組み込まれている。図１は、この状況を模式的に示している。この場合は光学装置が１つのレンズしか有していないが、当該装置は、もっと多くの構成要素、例えば凹型パターンを帯びたスライドおよび／または別のレンズ（特に、少なくとも１つの投射レンズ）を備えていてもよい、ということを理解されたい。

光源１は、支持体１２を備えている。その支持体１２の一面に、後述するように選択的に点灯可能な（例えば、ＬＥＤ技術に基づいた）複数の発光素子１１が載せられている。

レンズ２が、光学系を形成するか、ないしは形成するのに寄与している。光源１の下流側に配置されたそのレンズ２は、入光面２１を通じて光を受け入れ、出光面２２を通じてその光を出す。レンズ２が、その両面のうちの一方から生じている凹型パターンの配列を備えていることが、後ほど分かることとなる。残りの部分については、このレンズは光学的に中立であってよい。例えば、そのレンズは、両面が平坦で平行なスライドに基づいて製造され得る。別の選択肢によれば、レンズの両面の少なくとも一方が湾曲を呈している。特に、球面レンズが実施されてもよい。

本発明は、レンズ２用の種々の光学的な材料を用いて実施され得る。特に、この材料は、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）やポリカーボネートなどのポリマー材料、或いはガラスであってもよい。

図１に模式的に示すように、光源１と（ここではレンズ２によって表される）光学装置とを備えたモジュールの光軸に、符号３が付されている。光軸３は、実質的に水平な向きであってよい。

光源１は特に、発光素子のマトリックスアレイを成すように設計されていてよい。それらの発光素子は、そのうち任意の１つを消灯させたり点灯させたりするよう、個別に作動され得るものである。結果として得られるビームの形状が、かくして極めて大きな適応性で変化させられるのである。単なる例示として、例えば行と列（例えば４４行２８列）に配置される４０００ピクセルないしはもっと多数のピクセルを形成する発光素子のマトリックスアレイを実施することが可能である。

それ自体知られているように、本発明は光源として（一般的にはＬＥＤとも呼ばれる）発光ダイオードを用いてよい。これらは、１つないし複数の有機ＬＥＤであってもよいかもしれない。これらのＬＥＤは特に、半導体技術を用いた少なくとも１つのチップが設けられて光を発することのできるものであってよい。更に、光源という表現はこの場合、本発明によるモジュールの出力の所での少なくとも１つの光ビームの生成に繋がる光束を作り出すことのできる、少なくとも１つのＬＥＤなどの基本光源の組を意味するものと理解されたい。有利な一実施形態においては、光源の出光面が矩形断面のものであり、これがＬＥＤチップについては典型的なものである。

発光源は、少なくとも１つの、発光素子のモノリシック・マトリックスアレイ（モノリシック・マトリックスアレイとも称される）を備えていることが好ましい。モノリシック・マトリックスアレイにおいては、各発光素子が、共通基板から成長させられるか、ないしは共通基板上に移載されており、個別に、或いは発光素子同士のサブセット（小集団）毎に選択的に作動可能となるよう、電気的に接続されている。基板は、主として半導体材料で作られていてよい。基板は、１つないし複数の他の材料（例えば、非半導体）を含んで成っていてもよい。各発光素子または発光素子の群が、かくして発光ピクセルを形成し得ると共に、そ（れら）の素子の材料へ電力が供給されたときに光を放出することができるのである。そのようなモノリシック・マトリックスアレイの構成によって、プリント回路基板上に半田付けされるよう企図された従来の発光ダイオード群と比べて、選択的に点灯可能なピクセル同士を互いにかなり近接させて配置することが可能となる。本発明の趣旨の範囲内におけるモノリシック・マトリックスアレイは、共通基板に対して自らの延長の主寸法（具体的には、高さ）が略垂直である発光素子を備えており、この高さが多くとも１マイクロメートルとなっている。

光線を放出することのできる１つないし複数のモノリシック・マトリックスアレイは、ピクセル化光源の発光を制御するための制御装置に対して結合されていてよい。かくして制御装置は、照明装置によるピクセル化された光ビームの生成および／または投射を制御（これはドライブ（drive（piloter））と称されてもよい）し得る。制御装置は、照明装置へと統合されていてもよい。制御装置が１つないし複数のマトリックスアレイ上に搭載され、かくして当該組立体が照明モジュールを形成していてもよいのである。制御装置は、コンピュータ・プログラムを格納するメモリと結合された中央処理装置を備えていてよい。そのプログラムは、光源を制御するための信号類を生成する各段階をプロセッサが遂行するのを可能とする諸命令を備えている。かくして制御装置は、例えばマトリックスアレイにおける各ピクセルの発光を個別に制御し得る。さらに、当該複数の発光素子によって得られる輝度は、最低６０Ｃｄ／ｍｍ^２であり、少なくとも８０Ｃｄ／ｍｍ^２であることが好ましい。

制御装置は、各発光素子を制御することのできる電子的装置を形成し得る。制御装置は、集積回路であってよい。集積回路（電子チップとも呼ばれる）は、１つないし複数の電子的機能を再現する電子的構成要素であり、例えば限定された容積内（即ち、チップ上）に幾つかの型式の基本的な電子的構成要素を統合できるものである。これにより、回路を実施することが容易となる。集積回路は、例えばＡＳＩＣやＡＳＳＰであってよい。ＡＳＩＣ（「特定用途向け集積回路」の頭字語）は、少なくとも１つの特定用途のため（即ち、一顧客のため）に開発された集積回路である。従ってＡＳＩＣは、専用の（マイクロエレクトロニクスの）集積回路である。一般的には、それは多数の独自な、即ち誂えられた機能を一緒に纏めている。ＡＳＳＰ（「特定用途向け標準製品」の頭字語）は、広く標準化された用途を充足するために多数の機能を一緒に纏めている集積された（マイクロエレクトロニクスの）電子回路である。ＡＳＩＣは、ＡＳＳＰよりも、もっと特定の（具体的な）ニーズのために設計されているのである。モノリシック・マトリックスアレイは電子的装置を通じて電力を供給されるが、その電子的装置自体は、例えば自らを電源へ接続する少なくとも１つのコネクタを用いて電力を供給される。電源は、本発明による装置の内部にあっても外部にあってもよい。電子的装置が光源へ電力を供給するのである。かくして電子的装置は光源を制御することができる。

本発明によれば、光源が少なくとも１つのモノリシック・マトリックスアレイを備え、そのマトリックスアレイの各発光素子が共通基板から突き出て伸びていることが好ましい。素子同士のこの配置は、それらの素子が各々そこから成長させられていたところの基板上での成長から、或いは任意の他の製造方法（例えば、移載技術を用いた各素子の移載によるもの）から結果として生じ得るものである。発光素子同士の種々の配置が、このモノリシック・マトリックスアレイの定義を満たし得るが、それは次のことを条件としてである。即ち、各発光素子が、共通基板に対して略垂直な、自らの延長の主寸法のうちの１つを有していること、および（電気的に一緒に纏められた１つないし複数の発光素子によって形成される）ピクセル同士の間の間隔が、既知の、プリント回路基板へ半田付けされる平坦な正方形のチップ同士の配置において課される間隔と比べて小さいことである。

特に、本発明の一態様による光源は、選択的に（適切な場合には、内部でロッド同士が同時に作動可能なサブセット毎に）作動させられるよう電気的に接続され合いつつ基板から個々に成長させられた、他のものとは別個の、複数の発光素子を備え得る。

図示しない一実施形態によれば、モノリシック・マトリックスアレイは、複数の（サブミリメートル寸法の、或いは１０μｍ未満の寸法ですらある）発光素子を備えている。それらの発光素子は、六角形断面のロッド群を形成するように基板から突き出て配列されている。各発光ロッドは、光源がケーシング内の所定位置にあるとき、照明モジュールの光軸と平行に伸びている。

これらの発光ロッド同士は（特に、各組に特有の電気的接続によって）選択的に作動可能な複数の部分へと一緒に纏められている。発光ロッドは、基板の第１面上から生じている。この場合は窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いて形成された各発光ロッドが、基板に対して垂直ないし略垂直に伸びることによって、その基板から突き出ている。この場合には基板はシリコン製であるが、本発明の文脈から逸脱することなく、シリコンカーバイドなどの他の材料を用いてもよい。例として、発光ロッドは、窒化アルミニウムと窒化ガリウムとの合金（ＡｌＧａＮ）や、アルミニウム、インジウム、およびリン化ガリウムの合金（ＡｌＩｎＧａＰ）で作ることができるであろう。各発光ロッドは、自らの高さを規定する延長の軸線に沿って伸びており、各ロッドの基部が基板上面の平面内に配置されている。

図示しない別の実施形態によれば、モノリシック・マトリックスアレイは、（例えば、シリコンカーバイドで作られた）単一基板上のエピタキシャル発光素子の各層（特に、ｎ型ドープＧａＮの第１層およびｐ型ドープＧａＮの第２層）を、全く同一の基板からそれぞれ生じた複数のピクセルを形成するように（研削および／またはアブレーションによって）切り分けたものによって形成される発光素子群を備えていてよい。そのような設計の結果は、全てが全く同一の基板から生じて、互いに選択的に作動させられるよう電気的に接続された複数の発光ブロックということになる。

この別の実施形態による一実施例において、モノリシック・マトリックスアレイの基板は、１００μｍから８００μｍの間、特に２００μｍの厚さを有していてよく、各ブロックは、５０μｍから５００μｍの間、好適には１００μｍから２００μｍの間にそれぞれある長さと幅とを有していてよい。一変形例においては、長さと幅とが等しい。各ブロックの高さは５００μｍ未満であるが、３００μｍ未満であることが好ましい。最後に、各ブロックの出光面は、基板を介して、エピタクシー（配向成長）とは反対の側に形成され得る。隣り合うピクセル同士の間を隔てる距離は、１μｍ未満、特に５００μｍ未満であってよいが、２００μｍ未満であることが好ましい。

発光ブロック・モノリシックチップに関しては：
－ ピクセル数が、２５０から数千の間であってよい。典型的な値は、千ピクセル程度である。
－ それらの全体形状は、通常は正方形であるが、矩形であってもよい。アスペクト比は、一般的に１：１から１：５の間である。
－ 単位ピクセル（知る限り正方形だが、矩形であってもよい）の寸法は、現在の最新技術において１００から３００μｍの間である。

図示しない別の実施形態によれば、（上述したように）全く同一の基板から各々突き出て伸びている発光ロッドと、全く同一の基板上に積層された発光層を切り分けることによって得られる発光ブロックとの両者にて、モノリシック・マトリックスアレイは、各発光素子が少なくとも部分的に埋め込まれるポリマー材料の層を更に備えていてよい。かくして、その層が、基板の全範囲に亘って、或いは発光素子の所与の群の周囲にだけ広がっていてもよい。ポリマー材料（これは、特にシリコーン系のものであってよい）は、光線の放散を妨げることなく発光素子を保護することを可能とする保護層を作り出す。更に、このポリマー材料の層には、波長変換手段（例えば、発光団）を組み込むことが可能である。その波長変換手段は、素子のうちの１つによって放出された光線の少なくとも一部を吸収して、当該吸収された励起光の少なくとも一部を、励起光の波長とは異なる波長を有した放出光へと変換することのできるものである。ポリマー材料の内部実質内に発光団を埋め込むか、さもなければ、このポリマー材料の層の表面上に発光団を配置することが無差別に成されてもよい。また、ポリマー層を伴うことなく、半導体チップ上に発光団を真空蒸着させることも可能である。光源は更に、ピクセル化された光源の出光面の方へと光線を偏向させるための反射性材料の被覆を備えていてもよい。

サブミリメートル寸法の発光素子同士が、基板と略平行な平面内で所与の出光面を画成している。この出光面の形状は、その面を形成する発光素子の数および配置に応じて定められる、ということを理解されたい。かくして、発光面の略矩形の形状を定めることが可能となるが、その形状は変わってもよく、本発明の文脈から逸脱することなく任意の形状を採用してよい、ということを理解されたい。

本発明の光学装置の透過率関数を調節するために、レンズ２が、有利には第１面（ここでは、その出光面を成す面２２）上に、凹型パターン２３の配列を有している。面２２を示す描写が図２に与えられると共に、凹型パターン２３の外側輪郭をより詳細に明らかにする細部が図３に与えられている。凹型パターン２３同士が同じプロファイルを有していることが有利である。各凹型パターン２３が、円形断面の（即ち、当該パターンの中心での第１面への法線に対して垂直な平面上への投影が円形の）開口を形成するように第１面（ここでは出光面２２）上へと開いている、ということを理解されたい。第１面の表面の最大限の部分を占めるよう、パターン２３同士が互いに出来るだけ近接し合っていることが有利である。

第１面が平坦で光軸３に垂直である場合、凹型パターン２３のプロファイルは、各パターン２３の深さ寸法が光軸３と平行（即ち、第１面に対して垂直）であることが有利である。

第１面が湾曲している場合、各パターン２３の深さ寸法は、第１面の表面に対する局部法線方向に対応するよう、光軸３に対して角度を成して偏位されている。例えば、第１面が球面になっている場合、当該局部法線方向は、そこに設置された凹型パターン２３の対称軸（後で説明する）の位置での、球形状の半径に対応している。

かくして、所与の凹型パターン２３について、その表面のプロファイルが、局部法線方向（以降、「ｚ」か、さもなければＦ（ｙ）と称される）を包含した任意の平面内で画定され得る。図４は、これを図示するものである。凹型パターン２３のプロファイルが太線で示されているが、これは当該プロファイルの一方の半分の描写であって、他方の半分は、図示された一方と（方向ｚに関して）対称である。方向「ｙ」は、第１面に対しての局部接線に、即ち局部法線方向ｚに垂直な方向に対応している。この図において、値Δは（方向ｙでの）凹型パターンの最大幅の四分の一に相当する。

上述したように、図４で（平面ｙｚ内に）与えられた半プロファイルは、凹型パターンの形状全体を定めるのに十分なものである。具体的には、凹型パターンは軸線ｚについての対称性を呈している。それは任意の平面ｙｚにおいても同様である。即ち、方向ｙの向きは当該形状に影響しないのである。かくして、当該半プロファイルは第１区域に対応しているが、第２区域の半プロファイルは方向ｚについて対称なものとなっている。

図４は、凹型パターン２３の全体的に対称なプロファイルのうち第１区域に対応した半プロファイルの、２つの部分２３１，２３２への区分をも与えている。部分２３１は、当該パターンの底点２３３から中間点２３４（当該パターンの高さおよび幅の中央に位置しているのが有利である）まで伸びる基端側部分である。当該部分２３１は、凹状の形態を有している。

部分２３２は、第１面上での凹型パターンの開口へと開いているという意味での先端側部分である。その部分は、中間点２３４と、当該パターンの先端の点２３５との間を伸びている。

基端側部分２３１と先端側部分２３２とは、点２３４について互いに対称であることが有利である。斯かる条件の下では、先端側部分の湾曲が凸状となっている。

基端側部分２３１が点２３３から幅Δに亘って伸びると共に、先端側部分２３２が点２３４から同じ幅Δに亘って伸びている、ということを理解されたい。

これと対称的に、第２の半プロファイルが、基端側部分２３１とｚについて対称な基端側部分を備えている。２つの基端側部分同士は点２３３で接している。この高さにおいて、そこから結果として得られる曲線に対する接線が、局部法線方向に直交していることが有利である。

更に、この高さにおいては尚、二次導関数が無限大となっている。

プロファイル全体を４つの部分へと分割することが、結果として得られるビームの、鮮明な縁部を伴ったカットオフを作り出すような精確な広がりを可能とするのである。その上、本発明に由来する（特に、底部接合点２３３における接線や二次導関数の観点での）幾何学的な配置構成は、パターン２３内での伝播を通じて結果として得られる出来るだけ一定な照明を得るよう、屈折力の変移に有利に作用する。特に、凹型パターンの形状は、出力において次のような台地の形状の照明を作り出すように構成され得る。即ち、当該台地形状の頂部で一定の光強度と、真っ直ぐな台地形状の両縁部とを有した形状である。それは、特に（如何なるパターンも存在しない最初の面を通過した後に）平面波で抜け出てくる場合であって、この波が（測定点によらず）一定の強度を有しているとすればである。

凹型パターン２３のプロファイルにおける特定の例示的な一実施形態が、これらの微細構造を持つ第１面が平坦かつ光軸３に垂直であるとの想定の下で、以下に与えられる。

基端側部分２３１において、パターン２３の表面を反映する曲線は、関数ｚ＝Ｆ（ｙ）によって表される。座標ｙ，ｚを有する任意の点において、ｚ＝Ｆ（ｙ）である場合の基端側部分２３１の対応した点が存在することを理解されたい。この関数の決定が、以下に与えられる。Ｆ（ｙ）＝ｚ＝０が、パターンの底部における第１区域と第２区域との間の接合点の所に選ばれることとなる。

（ｚに相当する）局部法線方向と平行に差し向けられた入射光線に基づけば、１つのパラメータは当該光線の（広がりの値を表す）偏向角である。図４には、最も偏向した光線の方向と局部法線方向ｚとの間のパラメータγ_ｍａｘが与えられている。

図５は、部分２３１のある１点における幾何学的なパラメータを示している。それは、局部法線方向ｚに対して偏向角γで偏向された出射光線Ｒを作り出す入射光線Ｉに基づいている。考察中の点において、プロファイルに対する接線がＴで、法線がＮである。

斯かる条件の下で、レンズ２の材料の屈折率を示すのにｎを用い、αが、入射光線の（典型的にはｚと平行な）方向と、考察中の点でのプロファイルに対する法線Ｎとの間の角度に相当するとすれば、以下の数式１（訳注：出願書式の制限により［数２］と表示）を書くことが可能である。

さもなければαは、

のようになる。

角度ａｒｃｓｉｎ（ｎ ｓｉｎ α）は、図５に符号Ａで与えられている。

図６は、凹型パターンのプロファイルを通じての光を広げる能力を示している。特に、ｚに沿って差し向けられる入射光線に基づいた偏向光線の最大の３次元的広がりに相当する立体角ｄΩを定義することが可能である。出射光線の等間隔な横方向の広がりを、従って一定の照明を生じさせるために、この広がりを反映する定数であってｄΩ／ｄｙに相当するパラメータｋが設定される。

面が平坦なレンズ２の場合においては尚、

と書くことも可能である。

上記の等式は、ｄΩ＝ｓｉｎ（γ）ｄγ・ｄΦと書き、ｚと平行な局部軸回りの回転角Φ（別様に計算に組み込まれはしない角度）について０から２πの間で積分するとｄΩ／ｄｙ＝ｋであることを表している。従って、ｄ ｃｏｓ（ｘ）／ｄｘ＝－ｓｉｎ（ｘ）と考えて、以下の数式を書くことが可能である。

また、

でもあり、

である。この場合、δは物空間内のぼけの範囲に相当し、ｆは投射光学系の焦点距離に相当する。図７は、このパラメータδを、光学系の出力の所での偏向をγ_ｍａｘとして、光源の所での横方向偏位δに応じたものとして説明している。例えば、δはピクセルの幅よりも小さい寸法、それどころかピクセルの半分の幅よりも小さい寸法にも相当し得る。これは、１００μｍ未満、例えば６０μｍに相当し得る。そして、これにより、

が与えられる。

関数Ｆを得るための解法
これらの基本的な数式が、関数Ｆを決定するために解かれ得る。
上記の数式１（訳注：出願書式の制限により［数２］と表示）から、関数ｓｉｎ（α（ｙ））が、γの関数としての二重平方方程式に対する解法となる。更に、一般的には、

とも書けるが、これは解析的に、

を立証できることを意味する。この数式は、上記の数式２（訳注：出願書式の制限により［数３］と表示）により、

である限り、関数Ｆを導き出すためにｙに関して積分され得る。

微小な偏向への適用
出射光線の微小な（ゼロに近い）最大偏向（微小パラメータγ_ｍａｘ）のことを考えるのが有利である。典型的には０．０２°の偏向が考えられる。斯かる条件の下では、値αおよびγもゼロに近くなる。従って、上記の式を、

と書くように単純化することができる。故に、

また、

でもある。この場合、νは一般的な変数であり、ある一次元についてしばしばｘとも表示される。また、ο（ｘ）は「ｘに比べて無視できる」（有限展開の最終項である）ことを意味する。

故に、

そして最終的に、

となる。

かくして定められた関数Ｆは、所与の屈折率について、出射光線の所望の広がりを反映するパラメータｋのみによって決まるのである。式Ｆ（ｙ）でｙに割り当てられた冪（べき）指数が２よりも小さいという有利性がある

このプロファイルの形状構成では、底部接合点２３３において、無限大の二次導関数を有して、接線が局部法線方向ｚに垂直となる。

当該プロファイルのその他の部分は、対称性のおかげで、部分２３１から導き出される。特に、導き出された次の関数ｆ（ｙ）が存在する：
ｙがΔ以下である場合にはｆ（ｙ）＝Ｆ（ｙ）－２Ｆ（Δ）で、ｙがΔより大きく２Δ下である場合にはｆ（ｙ）＝－Ｆ（２Δ－ｙ）、但しｚに沿った座標の原点が以前のようにパターンの底部ではなく当該パターンの頂部の所に取られているので、先のＦ（ｙ）の計算に対してｙが変えられている。ｚに沿った原点をパターンの底部に置いたままにしつつ、もう１つの式が採用され得る：
ｙがΔ以下である場合にはｆ（ｙ）＝Ｆ（ｙ）で、ｙがΔより大きく２Δ下である場合にはｆ（ｙ）＝２Ｆ（Δ）－Ｆ（２Δ－ｙ）。

図８および図９は、本発明によって生み出される効果の、パラメータγ_ｍａｘについての異なる設定での２つの例をもたらしている。１番面の場合は、比較的に発光素子同士の間の間隔が分かるものとなっている。それは、結果として得られるビームが、光源における間隙の各範囲に対応した、より暗くなった各区域を含んでいて、照明の均質性が完全ではないようなものである。２番目の場合は、パラメータδが先の場合に対して２倍（２０μｍに代えて４０μｍ）になっていて、各発光素子の個性が遙かに目立たないものである。

本発明は、上述した諸実施形態に限定されるものではない。

Claims (11)

1. 選択的に点灯可能な複数の発光素子（１１）を備えるピクセル化光源（１）と相互作用することのできる、光ビームを投射するための光学装置であって、レンズ（２）を具備し、そのレンズ（２）の第１面が凹型パターン（２３）の配列を備えている装置において、
   各パターン（２３）が、
   － 前記第１面に対しての局部法線方向（ｚ）を包含する任意の平面内において、２つの区域同士、特に第１区域と第２区域とで前記局部法線について対称なプロファイルを画定するよう、前記局部法線方向（ｚ）についての回転対称性を呈し、
   － 前記２つの区域のそれぞれが２つの部分を備え、前記第１区域の基端側部分（２３１）が前記第２区域の基端側部分との底部接合点（２３３）を有し、前記第１区域の前記基端側部分（２３１）が前記第１区域の先端側部分（２３２）との第１中間接合点（２３４）を備えると共に、前記第２区域の基端側部分が前記第２区域の先端側部分との第２中間接合点を備え、
   － 前記２つの区域のそれぞれに関して、前記基端側部分と前記先端側部分とが、それらの部分同士の中間接合点について対称である、
   ようになっている、ことを特徴とする光学装置。
2. 前記対称なプロファイルは、前記底部接合点（２３３）において、前記局部法線方向に直交する接線と、無限大の二次導関数とを有している、前記請求項に記載の装置。
3. 前記対称なプロファイルは、前記第１区域の前記基端側部分（２３１）における以下の数式によって規定され、
   

   

   － Ｆ（ｙ）は、前記第２区域の前記基端側部分との前記底部接合点を前記局部法線方向ｚに沿った座標の原点として用いての、前記第１区域の前記基端側部分（２３１）におけるある一点の前記局部法線方向（ｚ）に沿った座標であり、前記一点は、前記局部法線方向（ｚ）に対して垂直な局部方向に沿った座標としてのｙを有しており、
   － ｎは、前記レンズの材料の屈折率であり、
   － ｋは定数である、
   前記請求項のいずれか一方に記載の装置。
4. 前記第１面は、前記レンズ（２）の出光面（２２）である、前記請求項のうちいずれか一項に記載の装置。
5. 前記第１面は、一平面によって保持されている、前記請求項のうちいずれか一項に記載の装置。
6. 前記第１面は、球の一部分によって保持されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
7. 出力における光線の最大偏向角γ_ｍａｘが、前記複数の発光素子（１１）のうちある１つの発光素子の幅以下、好ましくは半分の幅以下である、前記請求項のうちいずれか一項に記載の装置。
8. 前記パターン（１１）は、２μｍ未満の深さ寸法を有している、前記請求項のうちいずれか一項に記載の装置。
9. 前記パターン（１１）は、前記第１面において１．５ｍｍ未満の直径を有している、前記請求項のうちいずれか一項に記載の装置。
10. 前記レンズ（２）は投射レンズである、前記請求項のうちいずれか一項に記載の装置。
11. 前記請求項のうちいずれか一項に記載の装置と、選択的に点灯可能な複数の発光素子（１１）を備えるピクセル化光源（１）とを具備した、特に自動車両用の照明モジュール。

Images