JP5315505B2 - 車両用灯具及びその製造方法 - Google Patents

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本発明は、車両用灯具及びその製造方法に関する。

車両用灯具(ヘッドランプなど)の光源としては、HIDランプ(High Intensity Discharge Lamps)、ハロゲンランプ、LED(Light Emitting Diode)などが使用されている。投影型車両用灯具の光学系では、光源からの光は、リフレクタで反射され、カットオフラインを形成するようにシェードを経て、投影レンズによって前方に照射される。いずれの光源の場合にも投影レンズを透過した光は、配光スポットの縁付近で投影レンズの色収差に由来する色割れ(色ムラ)を生じる。これは光源の種類によらない共通の問題である。
光源としての白色LEDは、青色と黄色に強いスペクトル分布を持つもの(青色LEDと黄色蛍光体を使用したもの)、青色と緑色と赤色に強いスペクトル分布を持つもの(紫外線LEDと青緑赤色蛍光体を使用したもの、または青色LEDと赤・緑蛍光体を使用したもの)などのように、特定の波長領域に強いスペクトルを持つ。したがって、車両用灯具の光源として白色LEDを使用した場合には色割れの度合が顕著に表れやすい。
また、光源が特定の波長領域に強いスペクトル分布を有するか否かに関わらず、相関色温度が低い(赤みがかった)光源に対して、更に赤みが強くなる方向への色割れが生じたり、逆に相関色温度が高い(青みがかった)光源に対して、更に青みが強くなる方向への色割れが生じたりすることも問題となる。
このような色割れの問題を改善するための従来技術として、レンズ表面にシボ加工を施すという方法がある(たとえば、特公平8−17045号公報)。この方法では、レンズ面全体に施されたシボによる光の散乱効果を利用して配光パターンをぼかしているため、透過率の低下を避けられないことやシボ目の素性によってレンズの特性に揺らぎが生じやすいことが問題となる。
したがって、投影レンズの透過率の低下およびそれによる光量の低下を最小限に抑え、かつ光学特性を損なわずに、光源の特性を考慮しながら色割れを低減する車両用灯具に対するニーズがある。
本発明による車両用灯具は、光源、リフレクタ、シェードおよび投影レンズを備え、前記光源の光を前記リフレクタによって反射させ、前記シェードによって光の一部を遮断し、遮断しない光を、前記投影レンズを透過させて前方に照射する車両用灯具である。本発明による車両用灯具は、前記投影レンズの、少なくとも一面の光通過領域の端部を含む領域に、色割れを低減するための回折格子を設け、fは前記端部を通過する周縁光線によって決定されるレンズの焦点距離であり、fDは前記端部を通過する周縁光線によって決定される回折面の焦点距離であるとして、前記光源の特性による色割れを低減するように、前記光源の相関色温度にしたがって、fD/fの大きさおよび前記シェードの光軸上の位置を定めている。
本発明による車両用灯具においては、光源の特性を考慮しながら色割れを低減するように、光源の相関色温度にしたがって、fD/fの大きさおよび前記シェードの光軸上の位置を定めているので、光源の特性による色割れを確実に低減することができる。
本発明による車両用灯具は、略面状の光源および投影レンズを備え、前記光源の光を、前記投影レンズを透過させて前方に照射する車両用灯具である。本発明による車両用灯具は、前記投影レンズの、少なくとも一面の光通過領域の端部を含む領域に、色割れを低減するための回折格子を設け、fは前記端部を通過する周縁光線によって決定されるレンズの焦点距離であり、fDは前記端部を通過する周縁光線によって決定される回折面の焦点距離であるとして、前記光源の特性による色割れを低減するように、前記光源の相関色温度にしたがって、fD/fの大きさおよび前記光源の面の光軸上の位置を定めている。
本発明による車両用灯具においては、光源の特性を考慮しながら色割れを低減するように、光源の相関色温度にしたがって、fD/fの大きさおよび前記シェードの光軸上の位置を定めているので、光源の特性による色割れを確実に低減することができる。また、本発明による車両用灯具は、リフレクタおよびシェードを必要としないのでよりコンパクトに構成することができる。
投影型車両用灯具の構成の一例を示す図である。 配光面の座標系を示す図である。 配光面上における光の強度分布および光の色度座標における分布を示す図である。 シェードおよび投影レンズの側面図である。 シェードおよび投影レンズの上面図である。 投影レンズを含む光学系の設計手順を示す流れ図である。 本実施形態による投影レンズの格子を設けた面を示す図である。 図7に示した投影レンズを使用した場合の、配光面上における光の強度分布および光の色度座標における分布を示す図である。 比較例として全面に回折格子を設けた投影レンズの面を示す図である。 図9に示した投影レンズを使用した場合の、配光面上における光の強度分布および光の色度座標における分布を示す図である。 回折格子の形状の一例を示す図である。 回折格子の波長に対する透過率の関係の一例を示す図である。 投影型車両用灯具の構成の他の例を示す図である。 fの決め方を説明するための図である。 の決め方を説明するための図である。 実施形態Aによる車両用灯具の構成を示す図である。 実施形態Bによる車両用灯具の構成を示す図である。 実施形態Cによる車両用灯具の構成を示す図である。 実施形態Dによる車両用灯具の構成を示す図である。 実施形態Eによる車両用灯具の構成を示す図である。 実施形態Fによる車両用灯具の構成を示す図である。 面光源を使用した車両用灯具の構成を示す図である。 実施例1による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。 実施例2による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。 実施例3による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。 実施例4による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。 実施例5による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。 実施例6による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である 実施例7による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。 実施例8による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。 実施例9による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。 実施例10による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である 実施例11による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。 実施例12による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。 実施例13による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。 実施例14による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。 比較例1による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。 比較例2による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。 比較例3による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。 比較例4による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。 比較例5による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。 比較例6による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
図1は、投影型車両用灯具の構成の一例を示す図である。
光源101からの光はリフレクタ103で反射され、シェード105で一部が遮蔽された後、投影レンズ107よってコリメートされ前方に照射される。シェード105は、カットオフラインを形成するために使用される。カットオフラインとは、配光面における明部と暗部との境界線である。
ここで、投影レンズ107の光軸をZ軸とし、Z軸に対して垂直で且つ水平な方向をX軸、鉛直方向をY軸とする座標系を定める。原点Oは、投影レンズ107の出射面とZ軸との交点とする。リフレクタ103、シェード105および投影レンズ107は、Z軸に沿って配置される。シェード105は、Y=0の近傍に端部が位置するようにYが所定の値以下の領域に配置される。
シェード105の前面(リフレクタ側)形状は、X軸方向に曲率を持つ、非球面シリンダ形状である。これは、シェード位置でY=0近傍を通過する軸外の光線を、投影レンズ通過後にY方向にコリメートすることで、水平で真っ直ぐなカットオフラインを作るためである。ここで示す例では、投影レンズ107の入射面は、全面球面であり、出射面は、全面非球面である。
レンズのサグ量sagと回折格子の位相差関数Φを次式のように与える。
Figure 0005315505
ここで、cは曲率でありc=1/R(Rは曲率半径)、kは楕円係数、α2iは非球面係数、β2iは位相差関数係数、rはレンズ中心からの動径方向距離である。
レンズデータは以下のとおりである。レンズデータにおいて長さの単位は、ミリメータである。また、材料のPMMAは、メタクリル酸メチル樹脂を表す。
Figure 0005315505
上記の車両用灯具による色割れを評価するために、Z=10mの位置にZ軸と垂直な配光面を設ける。
図2は、配光面の座標系を示す図である。図2の座標系は、配光面とZ軸との交点を原点とし、配光面上でX軸と平行な方向をx軸とし、配光面上でY軸と平行な方向をy軸とする座標系である。図2は、配光面上における配光スポットも示している。
図3の(a)乃至(d)は、幾何光線追跡を使用したシミュレーションによって求めた、配光面上における光の強度分布を示す図である。図3の(a)乃至(d)における点は、yの範囲(−20から0)、(1から5)、(6から10)、(11から15)および(16から20)ごとに別のマーカによって示している。 図3の(e)乃至(h)は、それぞれ、図3の(a)乃至(d)に対応し、シミュレーションによって求めた、図3の(a)乃至(d)上の点の色度座標における分布を示す図である。色度座標とは、国際照明委員会(CIE)が定めた表色方法の一つである。色度座標におけるばらつきが大きいほど、色割れの程度が大きい。また、図3の(e)乃至(h)の右側には、以下の式によって定義される色度分散度をあわせて示す。それぞれの色度分散度は、(a)および(e)に示した値、(b)および(f)に示した値、(c)および(g)に示した値、(d)および(h)に示した値から以下の式にしたがって計算される。
色度分散度は、光源の色と配光スポットの縁付近での色の違いを評価するためのものであり、
Figure 0005315505

と定義される。ここで、
Figure 0005315505

は配光スポットの最大強度に対する配光面座標(xS,yS)での強度の比で0と1の間の値である。
Figure 0005315505
は色度座標において、光源の色度座標と配光面座標(xS,yS)での色度座標の距離、nは評価する点の数である。σ2の値が小さいほど強度を考慮した色分散(色割れ)の度合が小さいことになる。
図3を参照すると、
Figure 0005315505
の領域で、光源の色度座標からのずれが大きくなっている。これは、
Figure 0005315505
の領域で、色割れが生じていることを意味する。他方、
Figure 0005315505
の領域では実用上問題となる色割れは生じていない。したがって、色割れに対応するには、
Figure 0005315505
の領域のみを考慮すればよい。図1から、配光面上において
Figure 0005315505
に対応する領域は、投影レンズ107の
Figure 0005315505
の領域である。
図4は、シェード105および投影レンズ107の側面図である。
図5は、シェード105および投影レンズ107の上面図である。
図4に示すように、シェードのすぐ上部(シェード上部領域1)を通過する光線は、配光パターンの上部(配光パターン領域1)を照射し、シェード上部領域1より上方にあるシェード上部領域2を通過する光線は配光パターン領域1より下方の配光パターン領域2を照射し、さらにシェード上部領域2より上方にあるシェード上部領域3を通過する光線は配光パターン領域2より下方の配光パターン領域3を照射している。
実際に、シェード上部領域1付近を通過する光線のうち投影レンズ107の
Figure 0005315505
の領域を通過する光線が色割れの主要な原因となっているため、色割れの主要な原因となっている該光線の通過する領域を色割れ原因領域と呼称する(図4)。色割れ原因領域は、投影レンズ107の光通過領域の端部を含む領域である。シェード上部領域2やシェード上部領域3を通過する光のレンズによる色割れは、それぞれの下部を通過する光によって均一に緩和されてほぼ光源に近い色となるため問題にならない。
そこで、投影レンズ107の所定の面において、色割れ原因領域を含む
Figure 0005315505
の領域で色割れに対応すればよい。Yは所定の定数であり、Yの定め方は後で説明する。色割れに対応するために、投影レンズ107の所定の面の上記領域に色割れ低減用の回折格子を設ける。
図6は、投影レンズを含む光学系の設計方法を示す流れ図である。
図6のステップS010において、シェード105と投影レンズ107との間の距離を設定する。
図6のステップS020において、回折格子を設けずに投影レンズ107の面形状を決定する。
図6のステップS030において、投影レンズ107の面において、回折格子を設ける領域を決定する。ここでは、投影レンズ107の出射面(非球面)の
Figure 0005315505
の領域に回折格子を設ける。
の定め方について以下に説明する。
配光面で色割れが発生する領域(y≧0)に到達する光は、レンズのY≧0の領域を通過した光のみであるので、Y<0に回折格子を設ける必要はない。したがって、Yの値は0以上である。また、Yの値は投影レンズ107の有効半径よりも小さい値である。
の値を0から投影レンズ107の有効半径の値に近づけると、色割れ低減効果は減少し、Yの値を投影レンズ107の有効半径の値とすれば、回折格子を設ける領域はなくなるので色割れ低減効果もゼロとなる。他方、投影レンズ107の回折格子を設けた領域は、後で説明するように透過率が低下するので、車両用灯具の光量を低下させないためには、回折格子を設ける領域をできるだけ小さくするのが望ましい。そこで、0以上で投影レンズ107の有効半径よりも小さい値の範囲で、色割れ低減効果が十分であるようにYの値を定める。図8および図10を使用して後で説明するように、シミュレーションによって色割れ低減効果を評価してYの値を定めてもよい。
図6のステップS040において、投影レンズ107の回折格子を設ける領域の面形状と回折格子の位相差関数を決定する。回折格子の設計は以下のように行う。通常のレンズ材料の持つ分散特性により生じる色収差を回折格子の逆分散特性で打ち消すように、土台(非球面)形状と回折格子の位相差関数を同時に決める。光源色からどの色の方向に色目をもっていくかについては、土台(非球面)形状と回折格子の位相差関数で決定される。
上記の方法によって設計した投影レンズは、金型を作成して、該金型を使用して射出成型によって製造してもよい。
図7は、本実施形態による投影レンズの格子を設けた面を示す図である。図7において斜線は格子を設けた領域を示す。Yは、投影レンズの有効半径rの0.5倍である。具体的に投影レンズの有効半径rは、20ミリメータ、Yは、10ミリメータである。
シェード105の前面形状は、X軸方向に曲率を持つ、非球面シリンダ形状である。投影レンズ107の入射面は、全面球面であり、出射面は、全面非球面である。レンズデータは以下のとおりである。
Figure 0005315505
図8の(a)乃至(d)は、幾何学光線追跡を使用したシミュレーションによって求めた、図7に示した投影レンズを使用した場合の配光面上における光の強度分布を示す図である。図8の(a)乃至(d)における点は、yの範囲(−20から0)、(1から5)、(6から10)、(11から15)および(16から20)ごとに別のマーカによって示している。
図8の(e)乃至(h)は、それぞれ、図8の(a)乃至(d)に対応し、シミュレーションによって求めた、図8の(a)乃至(d)上の点の色度座標における分布を示す図である。また、図8の(e)乃至(h)の右側には、以下の式によって定義される色度分散度をあわせて示す。
図8を図3と比較すると、色度座標におけるばらつきは大幅に減少している。また、図8に示した色度分散度は、図3に示した色度分散度の数分の一に減少している。
図9は、比較例として全面に回折格子を設けた投影レンズの面を示す図である。
シェード105の前面形状は、X軸方向に曲率を持つ、非球面シリンダ形状である。投影レンズ107の入射面は、全面球面であり、出射面は、全面非球面である。レンズデータは以下のとおりである。
Figure 0005315505
図10の(a)乃至(d)は、幾何学光線追跡を使用したシミュレーションによって求めた、図9に示した投影レンズを使用した場合の配光面上における光の強度分布を示す図である。図10の(a)乃至(d)における点は、yの範囲(−20から0)、(1から5)、(6から10)、(11から15)および(16から20)ごとに別のマーカによって示している。
図10の(e)乃至(h)は、それぞれ、図10の(a)乃至(d)に対応し、シミュレーションによって求めた、図10の(a)乃至(d)上の点の色度座標における分布を示す図である。また、図10の(e)乃至(h)の右側には、以下の式によって定義される色度分散度をあわせて示す。
図10を図8と比較すると、色度座標におけるばらつきや色度分散度はほぼ同じである。すなわち、図9に示すように全面に回折格子を設けても、図7に示すように
Figure 0005315505
の領域に回折格子を設けても色割れ低減の効果は変わらない。その理由は、図7に示す投影レンズの回折格子による色収差補正が、色割れ低減に十分であるためである。
車両用灯具の光量を減少させないためには、投影レンズ上において回折格子を設ける領域をできるだけ小さくするのが望ましい。そこで、Yの値を0から増加させながら、シミュレーションを行って色割れ低減効果を求め、所望の色割れ低減効果を達成する最大の値をYの値としてもよい。
図11は、回折格子の形状の一例を示す図である。図11に示すように、回折格子には、製造過程において設計形状から離れた領域であるデッドゾーンが生じる。
図12は、回折格子の波長に対する透過率の関係の一例を示す図である。最適化波長(540nm)に対する透過率は約0.93であり、400nmにおける透過率は0.6である。
図13は、投影型車両用灯具の構成の他の例を示す図である。
光源101からの光はリフレクタ103で反射され、シェード105で一部が遮蔽された後、投影レンズ107よって集光された後、前方に照射される。シェード105は、カットオフラインを形成するために使用される。
本構成の場合には、図4を使用して説明した色割れ原因領域は、投影レンズ107の光通過領域のY<0の端部を含む領域である。
したがって、投影レンズ107の出射面(非球面)の
Figure 0005315505
の領域に回折格子を設ける。
の値は、0から有効半径の値の範囲で、色割れ低減効果および透過率を考慮して定める。
焦点距離の短い波長の光ほど投影レンズにより大きく曲げられる。したがって、図1に示すように、投影レンズをコリメート条件で使用すると、焦点距離の短い波長の光は光軸と平行に進み、焦点距離の長い波長の光は光軸から若干遠ざかる方向に進むため、配光面位置において、スポットの最外部付近には、焦点距離の長い波長の光が到達する。一方、図13に示すように、投影レンズを集光条件(投影レンズと配光面との間で一度集光する条件)で使用すると、焦点距離の短い波長の光は、焦点距離の長い波長の光に比べて大きな角度で集光されて配光面に到達するため、配光面位置において、スポットの最外部付近には、焦点距離の短い波長の光が到達する。このように、コリメート条件または集光条件を選択することによって、配光面のスポット縁付近での色割れの色目を変えることができ、色目の制御の可能な領域が広がることとなる。この結果、コリメート条件または集光条件の選択と回折格子とを組み合わせることにより、色目の制御と色割れ低減を同時に実現することができる。
上記の説明において、投影レンズは、通常のレンズとしたが、投影レンズとしてフレネルレンズを使用することもできる。
車両用灯具において、光源由来の熱が問題になることがある。通常の樹脂を使用することができない場合には、耐熱アクリルなどの熱に強い樹脂を用いることもできる。耐熱樹脂はガラスと比べると耐熱性は劣るが、車両用灯具の熱に対しては十分に耐えることができ、回折格子の成形性という点においてはガラスよりも有利である。
本発明の他の実施形態について以下に説明する。以下の実施形態による車両用灯具は、光源の相関色温度を考慮して構成されている。相関色温度とは、CIE 1976 UCS色度図(uv座標系)上で、対象の色の座標点に対し、最も近い黒体放射の色の座標点を示す黒体の温度である。
fおよびf
投影レンズの焦点距離をf、投影レンズに備えた回折面の焦点距離をfによって表す。fおよびfの決め方を以下に説明する。
図14は、fの決め方を説明するための図である。投影レンズ107の焦点距離fは、周縁光線205の追跡によって決める主点203と、周縁光線205が光軸201と交差する点207との間の距離である。シェードの反対側から投影レンズ107の有効径いっぱいに平行光線を入射し、シェード側に集光する条件で計算する。光線追跡は、波長589.3nmの光に対して行う。
図15は、fの決め方を説明するための図である。投影レンズに備えた回折面の焦点距離をfは、周縁光線205が通過する回折面上での位置と、その位置での回折格子ピッチから決定される。周縁光線が通過する回折面上の点と光軸との距離をr、周辺光線が通過する回折面上の点における格子ピッチをd、回折次数をm、光の波長をλとして、

fD=r/tan(arcsin(mλ/d))

である。光線追跡は、波長589.3nmの光に対して行う。
実施形態A
図16は、実施形態Aによる車両用灯具の構成を示す図である。本実施形態において、投影レンズ107Aを通過した光は集光されない。
本実施形態において、光源の相関色温度は、3200Kより低い。以下において、相関色温度が3200Kより低い光源を低温光源と呼称する。また、本実施形態において、
fD/f ≦ 17
である。すなわち、回折面のパワーを相対的に強くすることによって、投影レンズ107Aの回折面を備えた部分の青い光に対する焦点位置Bを、赤い光に対する焦点位置Rよりも光源側とする。シェード105Aの光軸上の位置は、390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も投影レンズ107Aに近い焦点位置より投影レンズ107Aに近い側とする。本実施形態において、投影レンズ107Aを通して照射される光束の周縁部には、青色光線が生じる。低温光源は、赤色がかっているが、周縁部に青色光線を生じさせることで、より低温側への色割れを防止することができる。
実施形態B
図17は、実施形態Bによる車両用灯具の構成を示す図である。本実施形態において、投影レンズ107Bを通過した光は集光されない。
本実施形態において、光源の相関色温度は、3200K以上6500K以下である。以下において、相関色温度が3200K以上6500K以下である光源を中温光源と呼称する。また、本実施形態において、
15 ≦ fD/f ≦ 21
である。すなわち、回折面のパワーを調整することにより、投影レンズ107Bの回折面を備えた部分の青い光に対する焦点位置Bと、赤い光に対する焦点位置Rとをほぼ一致させる。シェード105Bの光軸上の位置は、390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も投影レンズ107Bに近い焦点位置より投影レンズ107Bに近い側とする。本実施形態において、中温光源はほぼ白色とみなせるので、投影レンズ107Bによる色収差をできるだけ抑えることにより、色割れを低減することができる。
実施形態C
図18は、実施形態Cによる車両用灯具の構成を示す図である。本実施形態において、投影レンズ107Cを通過した光は集光されない。
本実施形態において、光源の相関色温度は、6500Kより高い。以下において、相関色温度が6500Kより高い光源を高温光源と呼称する。また、本実施形態において、
19 ≦ fD/f
である。すなわち、回折面のパワーを相対的に弱くすることによって、投影レンズ107Cの回折面を備えた部分の赤い光に対する焦点位置Rを、青い光に対する焦点位置Bよりも光源側とする。シェード105Cの光軸上の位置は、390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も投影レンズ107Cに近い焦点位置より投影レンズ107Cに近い側とする。本実施形態において、投影レンズ107Cを通して照射される光束の周縁部には、赤色光線が生じる。高温光源は、青色がかっているが、周縁部に赤色光線を生じさせることで、より高温側への色割れを防止することができる。
実施形態D
図19は、実施形態Dによる車両用灯具の構成を示す図である。本実施形態において、投影レンズ107Dを通過した光は集光さる。
本実施形態において、光源は、低温光源である。また、本実施形態において、
19 ≦ fD/f
である。すなわち、回折面のパワーを相対的に弱くすることによって、投影レンズ107Dの回折面を備えた部分の赤い光に対する焦点位置Rを、青い光に対する焦点位置Bよりも光源側とする。シェード105Dの光軸上の位置は、390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も投影レンズ107Dから遠い焦点位置より投影レンズ107Dから遠い側とする。本実施形態において、投影レンズ107Dを通して照射される光束の周縁部には、青色光線が生じる。低温光源は、赤色がかっているが、周縁部に青色光線を生じさせることで、より低温側への色割れを防止することができる。
実施形態E
図20は、実施形態Eによる車両用灯具の構成を示す図である。本実施形態において、投影レンズ107Eを通過した光は集光される。
本実施形態において、光源は中温光源である。また、本実施形態において、
15 ≦ fD/f ≦ 21
である。すなわち、回折面のパワーを調整することにより、投影レンズ107Bの回折面を備えた部分の青い光に対する焦点位置Bと、赤い光に対する焦点位置Rとをほぼ一致させる。シェード105Dの光軸上の位置は、390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も投影レンズ107Eから遠い焦点位置より投影レンズ107Eから遠い側とする。本実施形態において、中温光源はほぼ白色とみなせるので、投影レンズ107Eによる色収差をできるだけ抑えることにより、色割れを低減することができる。
実施形態F
図21は、実施形態Eによる車両用灯具の構成を示す図である。本実施形態において、投影レンズ107Fを通過した光は集光される。
本実施形態において、光源は高温光源である。また、本実施形態において、
fD/f ≦ 17
である。すなわち、回折面のパワーを相対的に強くすることによって、投影レンズ107Fの回折面を備えた部分の青い光に対する焦点位置Bを、赤い光に対する焦点位置Rよりも光源側とする。シェード105Fの光軸上の位置は、390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も投影レンズ107Fから遠い焦点位置より投影レンズ107Fから遠い側とする。本実施形態において、投影レンズ107Fを通して照射される光束の周縁部には、赤色光線が生じる。高温光源は、青色がかっているが、周縁部に赤色光線を生じさせることで、より高温側への色割れを防止することができる。
面光源を備えた実施形態
実施形態A乃至Fの光源、リフレクタおよびシェードを、シェードの位置に配置する面光源によって置き換えることができる。面光源は、ほぼ平面の基板上にLEDなどの発光素子をアレイ状として配置したものである。
図22は、面光源を使用した車両用灯具の構成を示す図である。一例として、実施形態Bに対応するものを示している。図17のシェード107Bの位置に面光源109を配置している。面光源109の正面図を1091、1092として示した。面光源の発光部分は、1091aおよび1092aで表す。また、シェードに相当する面光源の非発光部分は、1091bおよび1092bで表す。面光源1092における発光部分と非発光部分の境界の段差は、車両用灯具の左側部分と右側部分の照射距離を変えるために設けられている。その他の実施形態のシェードの位置に面光源を配置することにより、同様に、面光源を備えた実施形態が得られる。
図1、図13およびズ22において投影レンズは、通常のレンズとして示した。投影レンズは、フレネルレンズまたはシリンドリカルレンズを使用してもよい。
実施例についての説明
以下に、上記の実施形態に対応する実施例を記載する。最初に実施例の記載について説明する。レンズ形状の式および回折格子の形状を表す式は、上記の式(1)および式(2)である。色割れ評価関数は、平均化していない評価関数
Figure 0005315505
を使用する。ここで、xをhで表し、yをvで表す。
Irelative(h,v)
は、h=0、v=−40(cm)における照度を1として規格化した相対照度である。
Drelative(h,v)
は、中温光源の色度座標と(h,v)における色の色度座標との距離である。
たとえば、h=0についての式(6)の評価関数は、v=−40(cm)からv=+40(cm)まで1cmごとの値を積算することによって求める。式(6)の評価関数の値が小さいほど色割れが小さい。
実施例は、幾何光線追跡を使用したシミュレーションによって求めた。幾何光線追跡を使用したシミュレーションは、シェード位置に面状の光源を設定し、前記面光源の無作為な位置から無作為な方向に光線を発生させ、投影レンズ全面を略均一に照射する条件の下、レンズ前方10メートルの位置に配置した観測面上での各波長の到達光線の分布から、照度分布と色度座標を求める方法である。したがって、以下の実施例は、シェードを使用する実施形態および面光源を使用する実施形態の両方の実施例と考えることができる。
シミュレーションに使用した光源の波長分布を以下の表に示す。
中温光源の色度座標は、
x=0.352,y=0.353
であり、温度は、約4850Kである。
Figure 0005315505
低温光源の色度座標は、
x=0.439,y=0.417
であり、温度は、約3150Kである。
Figure 0005315505
高温光源の色度座標は、
x=0.312,y=0.329
であり、温度は、約6600Kである。
Figure 0005315505
以下に実施例1乃至14および比較例1乃至6を記載する。実施例1乃至14および比較例1乃至6は、シェードおよび投影レンズの仕様と評価関数の値とを含む。
実施例1
実施例1は、中温光源を使用し、実施形態Bに対応する。
表7は、実施例1のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図23は、実施例1による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
実施例2
実施例2は、中温光源を使用し、実施形態Eに対応する。
表8は、実施例2のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図24は、実施例2による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
実施例3
実施例3は、中温光源を使用し、実施形態Bに対応する。
表9は、実施例3のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図25は、実施例3による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
実施例4
実施例4は、中温光源を使用し、実施形態Bに対応する。
表10は、実施例4のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図26は、実施例4による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
実施例5
実施例5は、中温光源を使用し、実施形態Eに対応する。
表11は、実施例5のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図27は、実施例5による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
実施例6
実施例6は、中温光源を使用し、実施形態Bに対応する。
表12は、実施例6のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図28は、実施例6による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
実施例7
実施例7は、低温光源を使用し、実施形態Aに対応する。
表13は、実施例7のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図29は、実施例7による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
実施例8
実施例8は、高温光源を使用し、実施形態Fに対応する。
表14は、実施例8のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図30は、実施例8による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
実施例9
実施例9は、低温光源を使用し、実施形態Aに対応する。
表15は、実施例9のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図31は、実施例9による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
実施例10
実施例10は、高温光源を使用し、実施形態Fに対応する。
表16は、実施例10のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図32は、実施例10による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
実施例11
実施例11は、高温光源を使用し、実施形態Cに対応する。
表17は、実施例11のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図33は、実施例11による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
実施例12
実施例12は、中温光源を使用し、実施形態Dに対応する。
表18は、実施例12のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図34は、実施例12による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
実施例13
実施例13は、高温光源を使用し、実施形態Cに対応する。
表19は、実施例13のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図35は、実施例13による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
実施例14
実施例14は、中温光源を使用し、実施形態Dに対応する。
表20は、実施例14のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図36は、実施例14による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
比較例1
比較例1は、中温光源を使用し、実施形態Bに対応する実施例と比較されるものである。
表21は、比較例1のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図37は、比較例1による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
比較例2
比較例2は、中温光源を使用し、実施形態Eに対応する実施例と比較されるものである。
表22は、比較例2のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図38は、比較例2による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
比較例3
比較例3は、低温光源を使用し、実施形態Aに対応する実施例と比較されるものである。
表23は、比較例3のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図39は、比較例3による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
比較例4
比較例4は、低温光源を使用し、実施形態Dに対応する実施例と比較されるものである。
表24は、比較例4のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図40は、比較例4による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
比較例5
比較例5は、高温光源を使用し、実施形態Cに対応する実施例と比較されるものである。
表25は、比較例5のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図41は、比較例5による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
比較例6
比較例6は、高温光源を使用し、実施形態Fに対応する実施例と比較されるものである。
表26は、比較例6のシェードおよび投影レンズの仕様と評価関数を示す。
図42は、比較例6による配光面上における光の強度分布および光の色座標における分布を示す図である。
Figure 0005315505
実施例の評価
実施形態Aの実施例7および9の評価関数(合計値)を比較例3の評価関数(合計値)と比較すると、30%未満であり、十分小さくなっている。
実施形態Bの実施例1、3、4および6の評価関数(合計値)を比較例1の評価関数(合計値)と比較すると、25%未満であり、十分小さくなっている。
実施形態Cの実施例11および13の評価関数(合計値)を比較例5の評価関数(合計値)と比較すると、45%未満であり、十分小さくなっている。
実施形態Dの実施例12および14の評価関数(合計値)を比較例4の評価関数(合計値)と比較すると、25%未満であり、十分小さくなっている。
実施形態Eの実施例2および5の評価関数(合計値)を比較例2の評価関数(合計値)と比較すると、30%未満であり、十分小さくなっている。
実施形態Fの実施例8および10の評価関数(合計値)を比較例6の評価関数(合計値)と比較すると、25%未満であり、十分小さくなっている。
このように本発明の実施形態によれば、光源の特性を考慮しながら色割れを大幅に低減することができる。
回折格子領域
図7は、集光しない条件(実施形態A乃至Cに対応)における回折格子領域を示す図である。
投影レンズの光軸をZ軸とし、水平方向および鉛直方向をX、Y軸とする座標系において、Yを前記投影レンズの有効半径よりも小さい負でない定数として、投影レンズの回折格子を設ける面の
Figure 0005315505
の領域に回折格子を設ける。
集光する条件(実施形態D乃至Fに対応)においては、投影レンズの回折格子を設ける面の
Figure 0005315505
の領域に回折格子を設ける。
シミュレーション結果から、色消しを十分に行うのは、Yは、回折格子領域を通過する光の光量が投影レンズを通過する光の光量の5%以上となるようにするのが好ましい。投影レンズの全面を均一に光が通過しているとすると、
Figure 0005315505
であれば、回折格子領域を通過する光の光量が投影レンズを通過する光の光量の5%以上となる。
本発明の実施形態の特徴
本発明の実施形態の特徴を以下に説明する。
本発明の実施形態による車両用灯具は、前記端部が上端部であり、前記光源の相関色温度が3200Kより低く、
fD/f ≦ 17
であり、前記シェードの光軸上の位置を、前記上端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズに近い焦点位置より前記投影レンズに近づけたことを特徴とする。
本実施形態において、投影レンズを通して照射される光束の周縁部には、青色光線が生じる。低温光源は、赤色がかっているが、周縁部に青色光線を生じさせることで、赤側への色割れを防止することができる。
本発明の実施形態による車両用灯具は、前記端部が上端部であり、前記光源の相関色温度が3200K以上6500K以下であり、
15 ≦ fD/f ≦ 21
であり、前記シェードの光軸上の位置を、前記上端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズに近い焦点位置より前記投影レンズに近づけたことを特徴とする。
本実施形態において、中温光源はほぼ白色とみなせるので、投影レンズによる色収差をできるだけ抑えることにより、色割れを低減することができる。
本発明の実施形態による車両用灯具は、前記端部が上端部であり、前記光源の相関色温度が6500Kより高く、
19 ≦ fD/f
であり、前記シェードの光軸上の位置を、前記上端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズに近い焦点位置より前記投影レンズに近づけたことを特徴とする。
本実施形態において、投影レンズを通して照射される光束の周縁部には、赤色光線が生じる。高温光源は、青色がかっているが、周縁部に赤色光線を生じさせることで、青側への色割れを防止することができる。
本発明の実施形態による車両用灯具は、前記端部が下端部であり、前記光源の相関色温度が3200Kより低く、
19 ≦ fD/f
であり、前記シェードの光軸上の位置を、前記下端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズから遠い焦点位置より前記投影レンズから遠ざけたことを特徴とする。
本実施形態において、投影レンズを通して照射される光束の周縁部には、青色光線が生じる。低温光源は、赤色がかっているが、周縁部に青色光線を生じさせることで、赤側への色割れを防止することができる。
本発明の実施形態による車両用灯具は、前記端部が下端部であり、前記光源の相関色温度が3200K以上6500K以下であり、
15 ≦ fD/f ≦ 21
であり、前記シェードの光軸上の位置を、前記下端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズから遠い焦点位置より前記投影レンズから遠ざけたことを特徴とする。
本実施形態において、中温光源はほぼ白色とみなせるので、投影レンズによる色収差をできるだけ抑えることにより、色割れを低減することができる。
本発明の実施形態による車両用灯具は、前記端部が下端部であり、前記光源の相関色温度が6500Kより高く、
fD/f ≦ 17
であり、前記シェードの光軸上の位置を、前記下端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズから遠い焦点位置より前記投影レンズから遠ざけたことを特徴とする。
本実施形態において、投影レンズを通して照射される光束の周縁部には、赤色光線が生じる。高温光源は、青色がかっているが、周縁部に赤色光線を生じさせることで、青側への色割れを防止することができる。
本発明の実施形態による車両用灯具は、前記投影レンズの光軸をZ軸とし、水平方向および鉛直方向をX、Y軸とする座標系において、Yを前記投影レンズの有効半径よりも小さい負でない定数として、前記投影レンズの回折格子を設ける面の
Figure 0005315505
の領域に回折格子を設けたことを特徴とする。
本実施形態による車両用灯具は、低コストで簡単に製造することができる。
本発明の実施形態による車両用灯具は、前記投影レンズの光軸をZ軸とし、水平方向および鉛直方向をX、Y軸とする座標系において、Yを前記投影レンズの有効半径よりも小さい負でない定数として、前記投影レンズの回折格子を設ける面の
Figure 0005315505
の領域に回折格子を設けたことを特徴とする。
本実施形態による車両用灯具は、低コストで簡単に製造することができる。
本発明の実施形態による車両用灯具は、前記投影レンズがフレネルレンズであり、前記フレネルレンズ上に回折格子を設けたことを特徴とする。
本実施形態による車両用灯具は、低コストで簡単に製造することができる。
本発明の実施形態による車両用灯具は、前記投影レンズがシリンドリカルレンズであり、前記シリンドリカルレンズに回折格子を設けたことを特徴とする。
本実施形態による車両用灯具は、配光の水平方向の端付近での色割れを低減しやすいという利点がある。
本発明の実施形態による車両用灯具は、前記光源がLEDであることを特徴とする。
本実施形態による車両用灯具は、光学系を小型化しやすいという利点がある。

Claims (6)

  1. 光源、リフレクタ、シェードおよび少なくとも一面の光通過領域の上端部を含む領域に、色割れを低減するための回折格子を設けた投影レンズを備え、前記光源の光を前記リフレクタによって反射させ、前記シェードによって光の一部を遮断し、遮断しない光を、前記投影レンズを透過させ集光せずに前方に照射する車両用灯具の製造方法であって、
    fは前記上端部を通過する周縁光線によって決定されるレンズの焦点距離であり、fDは前記上端部を通過する周縁光線によって決定される回折面の焦点距離であるとして、
    前記光源の相関色温度が3200Kより低い場合に、
    fD/f ≦ 17
    として、青い光に対する焦点位置を赤い光に対する焦点位置よりも光源側とし、前記シェードの光軸上の位置を、前記上端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズに近い焦点位置より前記投影レンズに近づけるようにし、
    前記光源の相関色温度が3200K以上6500K以下である場合に、
    15 ≦ fD/f ≦ 21
    として、青い光に対する焦点位置と赤い光に対する焦点位置とをほぼ一致させ、前記シェードの光軸上の位置を、前記上端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズに近い焦点位置より前記投影レンズに近づけようにし、
    前記光源の相関色温度が6500Kより高い場合に、
    19 ≦ fD/f
    として、赤い光に対する焦点位置を青い光に対する焦点位置よりも光源側とし、前記シェードの光軸上の位置を、前記上端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズに近い焦点位置より前記投影レンズに近づけようにする、車両用灯具の製造方法。
  2. 光源、リフレクタ、シェードおよび少なくとも一面の光通過領域の下端部を含む領域に、色割れを低減するための回折格子を設けた投影レンズを備え、前記光源の光を前記リフレクタによって反射させ、前記シェードによって光の一部を遮断し、遮断しない光を、前記投影レンズを透過させ集光させた後に前方に照射する車両用灯具の製造方法であって、
    fは前記下端部を通過する周縁光線によって決定されるレンズの焦点距離であり、fDは前記下端部を通過する周縁光線によって決定される回折面の焦点距離であるとして、
    前記光源の相関色温度が3200Kより低い場合に、
    19 ≦ fD/f
    として、赤い光に対する焦点位置を青い光に対する焦点位置よりも光源側とし、前記シェードの光軸上の位置を、前記下端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズから遠い焦点位置より前記投影レンズから遠ざけるようにし、
    前記光源の相関色温度が3200K以上6500K以下である場合に、
    15 ≦ fD/f ≦ 21
    として、青い光に対する焦点位置と赤い光に対する焦点位置とをほぼ一致させ、前記シェードの光軸上の位置を、前記下端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズから遠い焦点位置より前記投影レンズから遠ざけるようにし、
    前記光源の相関色温度が6500Kより高い場合に、
    fD/f ≦ 17
    として、青い光に対する焦点位置を赤い光に対する焦点位置よりも光源側とし、前記シェードの光軸上の位置を、前記下端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズから遠い焦点位置より前記投影レンズから遠ざけるようにする、車両用灯具の製造方法。
  3. 略面状の光源、および少なくとも一面の光通過領域の上端部を含む領域に、色割れを低減するための回折格子を設けた投影レンズを備え、前記光源の光を、前記投影レンズを透過させ集光せずに前方に照射する車両用灯具の製造方法であって、
    fは前記端部を通過する周縁光線によって決定されるレンズの焦点距離であり、fDは前記端部を通過する周縁光線によって決定される回折面の焦点距離であるとして、
    前記光源の相関色温度が3200Kより低い場合に、
    fD/f ≦ 17
    として、青い光に対する焦点位置を赤い光に対する焦点位置よりも光源側とし、前記シェードの光軸上の位置を、前記上端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズに近い焦点位置より前記投影レンズに近づけるようにし、
    前記光源の相関色温度が3200K以上6500K以下である場合に、
    15 ≦ fD/f ≦ 21
    として、青い光に対する焦点位置と赤い光に対する焦点位置とをほぼ一致させ、前記シェードの光軸上の位置を、前記上端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズに近い焦点位置より前記投影レンズに近づけようにし、
    前記光源の相関色温度が6500Kより高い場合に、
    19 ≦ fD/f
    として、赤い光に対する焦点位置を青い光に対する焦点位置よりも光源側とし、前記シェードの光軸上の位置を、前記上端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズに近い焦点位置より前記投影レンズに近づけようにする、車両用灯具の製造方法。
  4. 略面状の光源、および少なくとも一面の光通過領域の下端部を含む領域に、色割れを低減するための回折格子を設けた投影レンズを備え、前記光源の光を、前記投影レンズを透過させ集光させた後に前方に照射する車両用灯具の製造方法であって、
    fは前記端部を通過する周縁光線によって決定されるレンズの焦点距離であり、fDは前記端部を通過する周縁光線によって決定される回折面の焦点距離であるとして、
    前記光源の相関色温度が3200Kより低い場合に、
    19 ≦ fD/f
    として、赤い光に対する焦点位置を青い光に対する焦点位置よりも光源側とし、前記シェードの光軸上の位置を、前記下端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズから遠い焦点位置より前記投影レンズから遠ざけるようにし、
    前記光源の相関色温度が3200K以上6500K以下である場合に、
    15 ≦ fD/f ≦ 21
    として、青い光に対する焦点位置と赤い光に対する焦点位置とをほぼ一致させ、前記シェードの光軸上の位置を、前記下端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズから遠い焦点位置より前記投影レンズから遠ざけるようにし、
    前記光源の相関色温度が6500Kより高い場合に、
    fD/f ≦ 17
    として、青い光に対する焦点位置を赤い光に対する焦点位置よりも光源側とし、前記シェードの光軸上の位置を、前記下端部を通過する390nmから700nmの波長の光に対する焦点位置のうち、最も前記投影レンズから遠い焦点位置より前記投影レンズから遠ざけるようにする、車両用灯具の製造方法。
  5. 相関色温度が3200Kより低い光源、及び端部を含む領域に、色割れを低減するための回折格子を設けた投影レンズを備えた車両用灯具であって、
    fは前記上端部を通過する周縁光線によって決定されるレンズの焦点距離であり、fDは前記端部を通過する周縁光線によって決定される回折面の焦点距離であるとして、前記端部を通過する周縁光線のうち、青い光に対する焦点位置と赤い光に対する焦点位置を光軸上でずらすようにf及びfDを定めることによって、照射される光束の周縁部に青色光線を生じさせるように構成された車両用灯具。
  6. 相関色温度が6500Kより高い光源、及び端部を含む領域に、色割れを低減するための回折格子を設けた投影レンズを備えた車両用灯具であって、
    fは前記上端部を通過する周縁光線によって決定されるレンズの焦点距離であり、fDは前記端部を通過する周縁光線によって決定される回折面の焦点距離であるとして、前記端部を通過する周縁光線のうち、青い光に対する焦点位置と赤い光に対する焦点位置を光軸上でずらすようにf及びfDを定めることによって、照射される光束の周縁部に赤色光線を生じさせるように構成された車両用灯具。
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