JP2750642B2 - プロジェクタ型前照灯 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明プロジェクタ型前照灯は、
投影レンズの色収差に起因する色縞の抑制を目的とした
新規なプロジェクタ型前照灯を提供しようとするもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】車輌用前照灯として投影器の像映原理を
利用したプロジェクタ型前照灯が知られており、小径で
ありながら配光特性に優れ、ホットゾーンが広く均一に
分布する等の利点を有する。

【０００３】図１０はプロジェクタ型前照灯の構成を概
略的に示すものである。

【０００４】プロジェクタ型前照灯ａは、光源ｂから出
射した光のうち楕円反射鏡ｃによって反射した光ｌを、
遮光板ｄの上縁から前後方向のいずれかに僅かに変位し
た近傍位置に集光させて所定の光をカットした後、前方
に配置された投影レンズｅによって遮光板ｄの倒立像を
遠方に投影する構造となっており、これによってすれ違
いビームに特有のカットライン（あるいはカットオフ）
が形成される。尚、図中に１点鎖線で示すｘ−ｘ線は光
軸である。

【０００５】投影レンズｅは光源側の面が平坦で、出射
面が一般には非球面形状とされ、その焦点は遮光板ｄの
上縁近傍に位置している。

【０００６】図１１は投影レンズｅの正面形状を示すも
のであり、投影レンズｅは水平方向に延びるＲＨ−ＬＨ
軸と鉛直方向に延びるＵＶーＤＶ軸との交点Ｏを通りこ
れらに直交して前後方向に延びる光軸ｘ−ｘ（紙面に対
して垂直な軸）に関して回転対称性を有している。

【０００７】ところで、上記したプロジェクタ型前照灯
のもつ問題点として、投影レンズｅの色収差により近軸
領域から外れた光が分光してカットラインの近傍に虹模
様が現れてしまい、視認性の低下を招くことが知られて
いる。

【０００８】これは図１０に示すように投影レンズｅの
周辺部に入射した光についてレンズの色収差により分光
現象が生じ、青色光ｌｂの方が赤色光ｌｒより光軸側に
屈折されるために起こるものである。

【０００９】そこで、このような虹模様の配光への影響
を極力抑えるために、投影レンズｅ、遮光板ｄに関する
光学的な位置調整（焦点位置調整）を行い、カットライ
ン近傍が青味がかった状態又は赤味がかった状態のいず
れかの状態となるように設定する。

【００１０】例えば、カットラインの近傍が青味がかっ
た状態となるように調整するには、投影レンズｅの青色
に対する焦点位置を、遮光板ｄのレンズ寄りの上側縁近
傍に位置させ、青色光ｌｂが投影レンズｅを出たときに
光軸に対して平行光線となるように焦点合わせを行えば
良い。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような投影レンズの色収差の影響が目立たないように光
学的な調整操作を行っただけでは、車輌にピッチング
（前後方向の揺れ）が生じた時や、車輌が近づいてくる
時等において、ヘッドライト光が色味（赤や青）を帯び
るため、時には信号灯や標識灯に誤認される虞れがあり
走行安全性に問題があり、また、見る角度によってヘッ
ドライト光に赤や青の色変化が生じるため、道路利用者
（対向車の運転者や歩行者）に不快感や眩惑を与えてし
まうといった不都合を招く等の問題がある。

【００１２】そこで、これらの不具合を解決するため
に、投影レンズの光源側の平坦面に部分的な凹凸状のフ
ロスト（艶消し）加工を施して近軸領域から離れた周辺
領域への入射光を散乱させてカットラインの近傍上方に
追いやる方法が採られるが、この方法では散乱光が対向
車に対するグレアの要因となったり、また、フロスト加
工による中心光度の低下を招く等、別の問題が残され
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記し
た課題を解決するために、反射鏡の第１の焦点位置に光
源を配置し、反射鏡の第２の焦点位置に反射光を集光さ
せ、第２の焦点位置の近傍に上縁が位置するように配置
された遮光板によってカットラインを限定して、前方の
投影レンズを介してパターン像を投影するプロジェクタ
型前照灯において、投影レンズの出射面を、光軸の回り
の回転対称性を有しない連続した曲面として形成すると
ともに、投影レンズの出射面を光軸に平行な方向から見
たときに、当該曲面を結像作用に関して複数の領域に区
分し、その第１の領域が遮光板の像を遠方において結像
させ、該領域を通る光が光軸と交差する集光ビームとな
るように制御するために焦点を遮光板の上縁近傍に位置
させ、また、第２の領域が、遮光板の像を遠方において
結像させずにこれを虚像とし、該領域を通る光を発散す
るように集光点を第１の領域に関する焦点位置より光源
側に偏位した光軸上に位置させたものである。

【００１４】

【作用】本発明によれば、カットラインの形成に寄与す
る光は、投影レンズの第１の領域を通った光であり、第
２の領域に対しては遮光板に関する結像作用が付与され
ていないので、投影レンズの色収差がカットライン近傍
に与える影響は、第１の領域の面積を投影レンズの全出
射面積で割った値が小さい程その度合が小さくなる。

【００１５】よって、照射光の色味が目立たなくなり、
誤認の可能性や不快感を招く可能性が減り、また、第２
の領域を通した光は発散するがレンズを通して制御され
た光であるから散乱光とはならず、また、中心光度の著
しい低下をもたらすことはない。

【００１６】

【実施例】以下に、本発明プロジェクタ型前照灯を図示
した実施例に従って説明する。

【００１７】図２はプロジェクタ型前照灯１を示すもの
である。

【００１８】２は楕円反射鏡であり、光軸ｘ−ｘ回りの
回転楕円面を光軸方向において略半截した形状の反射面
３を有している。よって、この反射面３は内側の第１焦
点Ｆ１と外側の第２焦点Ｆ２とを有している。

【００１９】４はコイル状のフィラメントであり、その
軸が前記反射面３の光軸ｘ−ｘに沿うようにして配置さ
れるとともに、その略中心が反射面３の第１焦点Ｆ１の
近傍に配置されている。従って、このフィラメント４か
ら出射し反射面３で反射した光は第２焦点Ｆ２に集光
し、それから前方へ拡がって行く。

【００２０】５は前方を向いて湾曲した形状の遮光板で
あり、反射面３の光軸ｘ−ｘを横切るようにして配置さ
れ、かつ、その上端縁６の高さは光軸ｘ−ｘを含む水平
面より僅かに下方とされている。そして、上端縁６を光
軸ｘ−ｘを含む鉛直面で２分したときに片側の上端縁の
高さが他方の側に比べて稍低くされており、両者がつな
がる光軸ｘ−ｘの近傍に斜面７が形成されている。

【００２１】反射面３の第２焦点Ｆ２は、遮光板５の上
端縁６の左右方向における中央の真上から稍前方に寄っ
た光軸ｘ−ｘ上、つまり上端縁６の前端近傍に位置して
いる。

【００２２】８は遮光板５の前方に配置された投影レン
ズであり、遮光板５側の面が平坦とされた平凸レンズ
（つまり、入射側の第１曲面が平面、出射側の第２曲面
が凸面である。）が用いられている。

【００２３】図１は投影レンズ８の正面図であり、「Ｒ
Ｈ−ＬＨ」はレンズの頂点Ｏを通り水平方向に延びる
軸、「ＵＶ−ＤＶ」はレンズの頂点Ｏを通り鉛直方向に
延びる軸をそれぞれ表している。

【００２４】投影レンズ８は、ＲＨ−ＬＨ軸に対して傾
斜した４軸ＡＸ１、ＡＸ２、ＡＸ３、ＡＸ４（図１に１
点鎖線で示す。）によって４つの領域９（１）、９
（２）、９（３Ｒ）、９（３Ｌ）に分けられており、よ
って光軸回りの回転対称性を有してはいないが、ＵＶ−
ＤＶ軸に関する面対称性を有する。尚、これらの領域は
境界において段差のない滑らかに連続した曲面として形
成されている。

【００２５】ＲＨ−ＬＨ軸の上方に位置し軸ＡＸ１、Ａ
Ｘ２によって区分される領域９（１）は、遠方にスクリ
ーンを配置したとき遮光板５によって規定されるパター
ン像を実像として結像する作用をもった領域（以下、
「結像作用領域」という。）とされており、この領域を
通った光は光軸ｘ−ｘに交差して集光するビームとな
る。

【００２６】図３は光軸ｘ−ｘとＵＶ−ＤＶ軸とを含む
平面によって投影レンズ８の第２曲面を切断したときの
交線の形状を示すものあり、光軸ｘ−ｘをｘ軸とし、Ｕ
Ｖ−ＤＶ軸をｚ軸とするｘ−ｚ座標系を設定して表わし
たものである。尚、ｘ軸については光源側を正の向きに
選び、ｚ軸については上方を正の向きに選んでいる。

【００２７】図中、ｘ−ｚ平面の第１象限において破線
で示す円弧１０はｘ軸上に中心点Ｃをもつ半径ｒの球面
を代表している。

【００２８】結像作用領域９（１）は非球面形状をして
おり、図３に実線で示すようにｚ軸の正方向に行くにし
たがって円弧１０とのズレが大きくなる曲線１１によっ
て代表されている。

【００２９】ｘ、ｚ軸に直交する座標軸をｙ軸とする
と、曲線１１は非球面の方程式にｙ＝０を代入すること
によって次式のように表される。

【００３０】

【数１】

【００３１】尚、［数１］式において、Ｃ２、Ｃ４、Ｃ
６、Ｃ８、Ｃ１０は定数係数である。これらをゼロにし
たとき右辺第１項だけが残り、点Ｃ（ｒ，０）を中心と
する半径ｒの円の方程式が得られることから分かるよう
に、ｚのベキ乗和の部分は球面からのズレの度合いを表
している。ｚの奇数乗の和が現れないのは、ｘ軸に関す
る面対称性を考慮している（つまり、ｘ＝ｆ（ｚ）が偶
関数となる。）ためであり、また、［数１］式ではｚの
１０次の項より高次の項を無視している。

【００３２】ｒの値を焦点距離の１／２程度に設定すれ
ば、無理のない形状を得ることができる。

【００３３】図１においてＲＨ−ＬＨ軸の下方に位置し
た軸ＡＸ３、ＡＸ４によって区分される領域９（２）
は、遮光板５の像を結像しない領域（以下、「非結像作
用領域」という。）とされており、遮光板５は虚像とな
り、この領域を通った光は発散する（光軸ｘ−ｘから離
れる光ほど光軸からのズレが大きくなる。）ビームとな
る。

【００３４】図３中、ｘ−ｚ平面の第４象限において１
点鎖線で示す曲線１２が、非結像作用領域９（２）の第
２曲面を代表しており、球面や双曲面、非球面が用いら
れる。

【００３５】つまり、第２曲面が球面の場合には曲線１
２は［数２］式のような円の方程式で表され、また、双
曲面の場合には曲線１２は［数３］式のような双曲線の
方程式で表される。

【００３６】

【数２】

【００３７】尚、［数２］式中のｒは半径であり、［数
１］式のｒと同じものである。

【００３８】

【数３】

【００３９】尚、［数３］式中のａ、ｂは定数係数であ
る。

【００４０】また、第２曲面が非球面の場合には曲線１
２は次式のように表される。

【００４１】

【数４】

【００４２】尚、［数４］式において、ｒ′は基本とな
る球面の半径であり、Ｃ′２、Ｃ′４、Ｃ′６、Ｃ′
８、Ｃ′１０は定数係数である。ｚの奇数乗の和が現れ
ないことや、ｚの１０次の項より高次の項を無視してい
る点については［数１］式と同様である。

【００４３】また、非結像作用領域９（２）の焦点位置
は、結像作用領域９（１）の焦点位置と一致せず、前者
の方が光源に近い位置に設定されている。

【００４４】９（３Ｒ）、９（３Ｌ）は、結像作用領域
９（１）と非結像作用領域９（２）との間にあって両者
を滑らかに連続させるための領域（以下、「移行領域」
という。）であり、図１に示すように移行領域９（３
Ｒ）が正面から見てＵＶーＤＶ軸の右側に位置した扇状
の領域であり、また、移行領域（３Ｒ）が正面から見て
ＵＶーＤＶ軸の左側に位置した扇状の領域である。

【００４５】図示するように、移行領域９（３Ｒ）、９
（３Ｌ）と結像作用領域９（１）との境界線は、ＡＸ
１、ＡＸ２軸をそれぞれ含み紙面に垂直な面と投影レン
ズ８の第２曲面との交線であり、また、移行領域９（３
Ｒ）、９（３Ｌ）と非結像作用領域９（２）との境界線
は、ＡＸ４、ＡＸ３軸をそれぞれ含み紙面に垂直な平面
と投影レンズ８の第２曲面との交線である。尚、各領域
を区分する境界線はあくまで説明の便宜上使用した仮想
上の線であり、これらがレンズの出射面上において明瞭
に現れる訳ではない。

【００４６】２つの移行領域９（３Ｒ）、９（３Ｌ）
は、ＵＶ−ＤＶ線に関する面対称性を有するので、以下
ではその一方の移行領域９（３Ｒ）について説明する。

【００４７】図４に示すように移行領域９（３Ｒ）の中
心角を「φ」とし、角度パラメータ「θ」の起点を移行
領域９（３Ｒ）と結像作用領域９（１）との境界線Ｄ１
上に選び、反時計回り方向をθの正の向きと定義する。

【００４８】図４において原点Ｏからの距離ρだけ離れ
た境界線Ｄ１上の点Ｓから時計回りにθだけ回ったとこ
ろを点Ｍとし、これからさらに時計回りに進んだ移行領
域９（１）と非結像作用領域９（２）との境界線Ｄ２上
の点を点Ｅとする。

【００４９】移行領域９（３Ｒ）の形状は、各場所につ
いて非結像作用領域９（２）からの差を与えて、境界線
Ｄ２上では差がなく、境界線Ｄ１上での差は非結像作用
領域９（２）と結像作用領域に移行するに足る差になる
ように指定することによって決まる。

【００５０】つまり、投影レンズ８をｘ−ｚ平面に平行
な平面で切断したときの断面形状において、非結像作用
領域９（２）の断面形状をｘ−ｙ平面に関して対称に折
り返したものと、結像作用領域９（１）の断面形状との
差にある重み付けの関数を掛けたものを指定することに
よって移行領域９（３Ｒ）の形状が規定される。

【００５１】図５は投影レンズ８をｘ−ｚ平面で切った
ときの交線の形状を示すものであり、「Δｘ」は、非結
像作用領域９（２）を表す曲線１２をｘ軸に関してｘ−
ｚ平面の第１象限に折り返した曲線１３（破線で示
す。）と、結像作用領域９（１）を表す曲線１１との間
のｘ座標の差を示している。

【００５２】Δｘは、一般にｙ、ｚの関数であり、先に
定義した極座標ρ、θの関数として表される（Δｘ＝Δ
ｘ（ρ，θ））が、図４に示すようにρを固定して考え
るとθの関数Δｘ＝Δｘ（θ）となる。

【００５３】ρ＝一定の下では、点Ｓと点Ｅとの間のｘ
座標の差はΔｘ＝Δｘ（φ）と表すことができ、よっ
て、関数ｇ（θ）を用いてΔｘ＝Δｘ（φ）・ｇ（θ）
とおくことができる。

【００５４】但し、関数ｇ（θ）は境界条件ｇ（θ＝
φ）＝０及びｇ（θ＝０）＝１を満たす必要がある。

【００５５】これは、境界線Ｄ２上の任意の点において
移行領域９（３Ｒ）と非結像作用領域９（２）との間に
ズレがあってはならず、また、移行領域９（３Ｒ）と結
像作用領域９（１）の間にズレが生じないようにするた
めには、ρの値が等しい境界線Ｄ１の点と境界線Ｄ２上
の点との間でΔｘ（φ）の差を必要とするからである。

【００５６】このような関数ｇ（θ）としては、例え
ば、ｇ（θ）＝（１＋ＣＯＳ（π・θ／φ））／２を挙
げることができ、これを視覚化すると図６に示すグラフ
曲線１４（｜φ｜＝４５゜の場合）のようになる。

【００５７】尚、関数ｇ（θ）に対する制約は上記の境
界条件に示すように比較的緩いものなので、図６のグラ
フ曲線１５に示す関数ｇ（θ）＝１−ＳＩＮ（π・θ／
（２・φ））等を適宜に用いることができることは勿論
である。

【００５８】図７は、投影レンズ８の具体例を示すもの
であり、この例では結像作用領域９（１）と移行領域９
（３Ｒ）、９（３Ｌ）との境界が正面からみて丁度ＲＨ
−ＬＨ軸に一致するように選ばれており（このように設
定するとカットラインをより鮮明に形成することができ
る。）、移行領域９（３Ｒ）、９（３Ｌ）の中心角の大
きさは｜φ｜＝４５゜とされている。

【００５９】尚、結像作用領域９（１）の第２曲面に関
する基本球面の半径や非球面係数等の値は［表１］に示
す通りである。

【００６０】

【表１】

【００６１】また、非結像作用領域９（２）の第２曲面
は、半径ｒ＝３８（ｍｍ）の球面の一部とされている。

【００６２】そして、移行領域９（３Ｒ）、９（３Ｌ）
を規定する関数ｇ（θ）には（１＋ＣＯＳ（１８０・θ
／φ））／２が用いられている。

【００６３】しかして、プロジェクタ型前照灯１にあっ
てはフィラメント４から出射し反射面３の上半部で反射
された光は第２焦点Ｆ２に一旦集光して、遮光板５の上
縁部によって中間的なパターンが限定されてから投影レ
ンズ８によって前方に投影されることになるが、上記の
投影レンズ８に関する光路を示すと図８のようになる。

【００６４】光軸ｘ−ｘ上の点Ｆは結像作用領域９
（１）についての焦点を示し、光軸ｘ−ｘ上の点Ｐは非
結像作用領域９（２）についての集光点を示しており、
点Ｐの方が点Ｆより後方（光源側）に位置している。

【００６５】また、焦点Ｆは遮光板５の端面６の後縁近
傍に位置しており、この焦点Ｆを通って結像作用領域９
（１）を介して出射される光Ｌ１は、遠方のスクリーン
上に遮光板の投影像を結像させる集光状態のビームとな
り、他方、この焦点Ｆを通って非結像作用領域９（２）
を介して出射される光Ｌ２は発散光となり、配光パター
ンに関して水平線の下側に向けられる。

【００６６】つまり、図８に破線で示すように非結像作
用領域９（２）は、遮光板の後方に虚像を作り出す。

【００６７】配光パターンにおいてカットラインの形成
に寄与するのは結像作用領域９（１）であり、分光現象
はこの結像作用領域９（１）においてのみ関係し、非結
像作用領域９（２）については発散により広範囲に広が
ってしまうため分光現象が目立たなくなってしまう。

【００６８】よって、カットラインの近傍における色ム
ラがかなり低減され、レンズの全面積に対して結像作用
領域が占める面積を小さくするほど分光現象が配光パタ
ーンに及ぼす影響を小さくすることができる。

【００６９】図９は投影レンズの変形例８Ａを示すもの
である。

【００７０】この投影レンズ８Ａにあっては、結像作用
領域１６（１）がＲＨ−ＬＨ軸の上部を占め、非結像作
用領域１６（２）は線状（図では太線で示す。）とされ
てＯ−ＤＶ線上に限定されており、移行領域１６（３
Ｒ）、１６（３Ｌ）がＲＨ−ＬＨ軸の下側部分を占めて
いる。

【００７１】つまり、図１の投影レンズ８において丁度
φ＝−９０゜としたものになっている。

【００７２】尚、結像作用領域１６（１）と移行領域１
６（３Ｒ）、１６（３Ｌ）との境界が正面から見てＲＨ
−ＬＨ軸に一致するように移行領域の起点を設定する
と、より鮮明なカットラインを得ることができる。

【００７３】

【発明の効果】以上に記載したところから明らかなよう
に、本発明によれば、投影レンズの第１の領域を通った
光のみがカットラインの形成に寄与する光となり、第２
の領域を通った光は発散するため、投影レンズの色収差
がカットライン近傍に与える影響は、第１の領域の面積
を投影レンズの全出射面積で割った値が小さい程その度
合が小さくなり、よって遠方から前照灯の光を見た場合
に照射光が色味を帯びて見えることに起因する誤認の可
能性や不快感を招く可能性を低減し、視認性の向上を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る投影レンズの領域区分を説明する
ための正面図である。

【図２】本発明に係るプロジェクタ型前照灯の構成例を
示す斜視図である。

【図３】本発明に係る投影レンズの縦断面形状について
説明するためのｘ−ｚ図である。

【図４】投影レンズの移行領域について説明するための
正面図である。

【図５】投影レンズの移行領域の形状の形成方法につい
て説明するためのｘ−ｚ図である。

【図６】Δｘを規定する関数例を示すグラフ図である。

【図７】投影レンズの設計例を示すものであり、（ａ）
は正面図、（ｂ）は側面図である。

【図８】投影レンズ及び遮光板からなる投影系について
示す光路図である。

【図９】本発明に係る投影レンズの変形例を示す正面図
である

【図１０】従来のプロジェクタ型前照灯における問題点
を示す灯具の概略的な断面図である。

【図１１】従来のプロジェクタ型前照灯の投影レンズを
示す正面図である。

【符号の説明】 １ プロジェクタ型前照灯 ２ 反射鏡 Ｆ１ 第１の焦点位置 Ｆ２ 第２の焦点位置 ５ 遮光板 ８ 投影レンズ ９（１） 第１の領域 ９（２） 第２の領域 ９（３Ｒ）、９（３Ｌ） 移行領域 ８Ａ 投影レンズ １６（１） 第１の領域 １６（２） 第２の領域 １６（３Ｒ）、９（３Ｌ） 移行領域 ｘ−ｘ 光軸

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反射鏡の第１の焦点位置に光源を配置
   し、反射鏡の第２の焦点位置に反射光を集光させ、第２
   の焦点位置の近傍に上縁が位置するように配置された遮
   光板によってカットラインを限定して、前方の投影レン
   ズを介してパターン像を投影するプロジェクタ型前照灯
   において、（１）投影レンズの出射面は、光軸の回りの
   回転対称性を有しない連続した曲面として形成されるこ
   と、（２）投影レンズの出射面を光軸に平行な方向から
   見たときに、当該曲面が結像作用に関して複数の領域に
   区分されていること、（３）第１の領域は、遮光板の像
   を遠方において結像させ、該領域を通る光が光軸と交差
   する集光ビームとなるように制御し、焦点が遮光板の上
   縁近傍に位置すること、（４）第２の領域は、遮光板の
   像を遠方において結像させずにこれを虚像とし、該領域
   を通る光を発散するように集光点が第１の領域に関する
   焦点位置より光源側に偏位した光軸上に位置すること、
   を特徴とするプロジェクタ型前照灯。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のプロジェクタ型前照灯
   において、光軸を含む水平面に関して投影レンズの上側
   の範囲に第１の領域が含まれ、光軸を含む水平面に関し
   て投影レンズの下側の範囲に第２の領域が含まれるよう
   にしたことを特徴とするプロジェクタ型前照灯。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載のプロジェ
   クタ型前照灯において、投影レンズの第１の領域から第
   ２の領域へと滑らかに移行させるために移行領域を設け
   るとともに、光軸を含む水平面に関して投影レンズの下
   側の範囲に移行領域を配置したことを特徴とするプロジ
   ェクタ型前照灯。