JP5912712B2 - 照明用光学系 - Google Patents

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Description

本発明は、照明用光学系に関し、特に、車両用の前照灯光学系に関する。
従来、ハロゲン、ＨＩＤ、ＬＥＤなどの非コヒーレント系の光源を用いた車両用前照灯光学系が知られている。車両の前照灯として用いられる光学系においては、走行ビーム配光パターンやすれ違いビーム配光パターンを形成する必要がある。従来の車両用前照灯光学系では、光源の周囲に配置されたリフレクタの反射面などにより配光パターンを作り、光源の光をそこに反射させて、投影レンズを介して前方に反転投影させている（例えば、特許文献１参照）。
また、ホログラフィック液晶素子を投影レンズの前方に配置して、屈折により前照灯の照射領域を拡大して、所望の配光パターンを形成することが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００８−１５２９８０号公報 特開平０５−１３９２０３号公報
モーターなどの機械を用いてメカ的に配光制御を行う従来の技術では、可変配光車両用前照灯光学系を小型化することは困難であり、且つ製造コストを抑えることも難しい。
また、ホログラフィック液晶素子を用いて照射領域を拡大する技術においても、ノーマル状態（非拡大状態）と拡大状態の切り替えを行うためには切り替えメカニズムが必要であり、電気的に切り替えを行うことはできず、前照灯光学系を小型化することは困難であり、且つ製造コストを抑えることも難しい。
本発明の目的は、小型でかつ製造コストを抑えた電気的に配光制御可能な照明用光学系を提供することである。
本発明の一観点によれば、照明用光学系は、光線を発射する光源と、印加される電圧に従い、前記光源から発射される光線を、所定の配光形状を有する再生光に変換するか、又はそのまま透過させるホログラフィック液晶素子と、前記ホログラフィック液晶素子から入射する再生光を吸収して可視光を放射する蛍光体を含む蛍光体プレートと、前記蛍光体プレートから放射される可視光を前方に照射するレンズと、前記ホログラフィック液晶素子をそのまま透過した前記光線を反射させて、前記蛍光体プレートに入射させる反射手段とを有する。
本発明によれば小型でかつ製造コストを抑えた電気的に配光制御可能な照明用光学系を提供することができる。
本発明の実施例による照明用光学系１００の一例を表す概略断面図である。 図１に示す照明用光学系１００におけるホログラフィック液晶素子３及び蛍光体プレート４を表す概念図である。 本発明の実施例によるホログラフィック液晶素子（回折光学素子）３を概略的に示す厚さ方向断面図である。 ホログラフィック液晶素子３の波面変換情報記録領域（画素）３ａへの微細周期構造の形成（波面変換情報の記録）方法を説明するための概念図及び断面図である。 ホログラフィック液晶素子３の波面変換情報記録領域（画素）３ｂへの微細周期構造の形成（波面変換情報の記録）方法を説明するための概念図及び断面図である。 ホログラフィック液晶素子３の画素（波面変換情報記録領域）３ａをＯＦＦ（電圧無印加）状態、画素３ｂをＯＮ（電圧印加）状態にした場合の配光状態を説明するための概念図及び断面図である。 ホログラフィック液晶素子３の画素（波面変換情報記録領域）３ａをＯＮ（電圧印加）状態、画素３ｂをＯＦＦ（電圧無印加）状態にした場合の配光状態を説明するための概念図及び断面図である。 ホログラフィック液晶素子３の画素（波面変換情報記録領域）３ａ及び３ｂをともにＯＦＦ（電圧無印加）状態にした場合の配光状態を説明するための概念図及び断面図である。 ホログラフィック液晶素子３の画素（波面変換情報記録領域）３ａ及び３ｂをともにＯＮ（電圧印加）状態にした場合の配光状態を説明するための概念図及び断面図である。 本発明の実施例による照明用光学系１００の変形例を表す概略断面図である。
図１は、本発明の実施例による照明用光学系１００の一例を表す概略断面図である。図２は、図１に示す照明用光学系１００におけるホログラフィック液晶素子３及び蛍光体プレート４を表す概念図である。なお、本願の全ての図中の各部の寸法、位置、角度等は実際のものとは異なる。
照明用光学系１００は、例えば、車両用のプロジェクター型前照灯（ヘッドライト）等の照明器具であり、カバー６０、光源１、コリメートレンズ２、ホログラフィック液晶素子（回折光学素子）３、蛍光体プレート４、及びプロジェクターレンズ（投影レンズ）５、ミラー７を含んで構成される。また、必要に応じて遮光膜（カットオフパターン）６（図１０参照）を含むようにしても良い。光源１、コリメートレンズ２、ホログラフィック液晶素子３、蛍光体プレート４、プロジェクターレンズ（投影レンズ）５及びミラー７は、それぞれカバー６０に保持されている。また、ホログラフィック液晶素子３は制御部３６に接続されている。
光源１は、半導体レーザダイオード（ＬＤ）等の高出力レーザであり、例えば、青色レーザ（偏光レーザ）を用いることができる。光源１から照射される青色レーザ（照明光）１０は、コリメートレンズ２を通過して、所定の角度θの方向から、ホログラフィック液晶素子３の表面に入射する。本実施例では、中心波長４０５ｎｍの青色レーザ（照明光）を照射する。なお、光源１としては、高出力のＬＥＤを用いることもできる。また、中心波長は４０５ｎｍに限らず、他の青色（４８８ｎｍ等）でも良いが、ホログラフィック液晶素子３のダメージを避けるために、中心波長３８０ｎｍ以上であることが好ましい。なお、コリメートレンズ２は、光源１からのレーザ光（照明光）１０のビーム径を拡大するとともに、平行光線に変換する。なお、コリメートレンズ２を介することにより、レーザ光１０は、左右に少し広がる配光となり、自然に横に長い楕円の配光を得ることができる。
ホログラフィック液晶素子３は、透明な高分子樹脂及び低分子液晶（電界応答可能な材料）とからなる液晶層２１５（図３）を有する液晶素子である。液晶層２１５は、透明な高分子樹脂及び低分子液晶の領域分布あるいは濃度分布により、屈折率分布が平面又は立体的な縞状構造（波面変換機能）を有している。また、ホログラフィック液晶素子３は、任意の選択領域（画素）に電圧印加が可能な透明電極２０２及び２１２（図３）を備えている。
波面変換機能は、屈折率分布が平面又は立体的な縞状構造により記録された波面変換情報に基づき光源１からコリメートレンズ２を介して照射される短波長レーザ（照明光）１０を所望の配光パターン（ヘッドライトに要求される配光状態）を有する再生光１１に変換する機能である。本実施例では、ホログラフィック液晶素子３の表面上の場所（波面変換情報記録領域（画素）３ａ、３ｂ）ごとに異なる波面変換情報が記録されており、波面変換情報記録領域（画素）３ａ、３ｂに対してはそれぞれ独立して、電圧の印加（ＯＮ／ＯＦＦ）が可能である。
また、本実施例では、より、再生光１１の配光の形状だけでなく、輝度分布も作成可能である。なお、ホログラフィック液晶素子３には、ナノレベルの加工がなされており、印加電圧に応じて青色レーザ光に光強度の分布を持たせるとともに、所定のカットオフ形状にすることが可能である。
ホログラフィック液晶素子３の作製方法については、図３を参照して後述する。また、波面変換情報は、図４及び図５に示す光学分割系干渉露光装置３００による撮影で記録される。記録方法の詳細については、図４及び図５を参照して後述する。なお、ホログラフィック液晶素子３に対する波面変換情報の書き込みに用いるレーザの波長は、光源１から照射されるレーザ光１０の波長に近いものほど好ましい。また、ホログラフィック液晶素子３の再生光１１は後段に配置される蛍光体プレート４の位置に再生されることが望ましい。
ミラー７は、ホログラフィック液晶素子３の後段に配置され、所定角度θでホログラフィック液晶素子３に入射したレーザ光１０が、ホログラフィック液晶素子３をそのまま透過した場合に、当該レーザ光１０が照射され、その反射光が後段に配置される蛍光体プレート４に照射する位置に配置される。ミラー７は、鏡面ミラーもしくは弱散乱性のミラーからなる。本実施例では、ホログラフィック液晶素子３をそのまま透過したレーザ光１０をヘッドライトの光として活用しているため、ミラー７をその反射光が後段に配置される蛍光体プレート４に照射する位置に配置しているが、当該反射光をヘッドライトの光として利用しない場合は、この位置以外に配置しても良いし、ミラー７の代わりに、光吸収体を配置しても良い。
制御部３６は、ホログラフィック液晶素子３に印加する電圧を制御することにより、ホログラフィック液晶素子３による波面変換機能のオン・オフを切り替えて、配光状態を変更可能である。本実施例では、電圧印加状態（ＯＮ状態）では、ホログラフィック液晶素子３に入射したレーザ光１０は、そのままホログラフィック液晶素子３を通過して、ホログラフィック液晶素子３と蛍光体プレート４との間に配置されるミラー７にて反射されて、蛍光体プレート４に照射される。また、電圧無印加状態（ＯＦＦ状態）では、ホログラフィック液晶素子３に入射したレーザ光１０は、入射した領域に記録された波面変換情報に基づき所定の配光状態の光学像１１に変換され、蛍光体プレート４に照射される。
蛍光体プレート４は、ホログラフィック液晶素子３の後段に配置され、かつプロジェクターレンズ５の焦点位置近傍に配置される。蛍光体プレート４は、樹脂やガラス等の透明基板に蛍光体４１を塗布したもの、又は樹脂やガラス等の透明基板に蛍光体４１を混ぜ込んだものである。本実施例では、ガラス基板に蛍光体４１を混ぜ込んだものを蛍光体プレート４として使用した。
蛍光体プレート４の透明基板は、ガラスもしくはできるだけ耐熱性、耐光性の高い樹脂を用いる。樹脂としては、例えば、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、シリコーン、ポリカーボネート、ポリスチレン、アクリル、エポキシ樹脂等のプラスチック等を用いることができる。
蛍光体４１としては、紫外から青色までの波長領域の光を吸収して可視光を放射する材料が用いられ、好ましくは、青色もしくは紫外波長に対して黄色もしくは青色と赤色に発光する材料である。黄色に発光する材料としては、例えば、ＹＡＧ系蛍光体材料がある。その他、例えば、珪酸塩系蛍光体材料、アルミン酸塩系蛍光体材料、窒化物系蛍光体材料、硫化物系蛍光体材料、酸硫化物系蛍光体材料、硼酸塩系蛍光体材料、燐酸塩硼酸塩系蛍光体材料、燐酸塩系蛍光体、及びハロリン酸塩系蛍光体材料等の蛍光体材料を使用可能である。
なお、蛍光体プレート４の厚さ（蛍光体を塗布する場合は蛍光体の塗布厚）、及び蛍光体４１の密度は、光源２から照射される光の量に応じて最適化することが望ましい。蛍光体プレート４から出射される光は白色であることが望ましいため、光源２の青色が残る厚さと密度が好ましいとともに、例えば、すれ違いビーム配光（ロービーム配光）状態は中央部が明るいため、中央部の蛍光体の密度を高くするもしくは厚みを厚くすることが望ましい。このように、蛍光体プレート４の厚さ（蛍光体を塗布する場合は蛍光体の塗布厚）、及び蛍光体４１の密度を再生光１１の輝度分布に応じて変えることで、どの方向でも白色の光を得ることができる。
なお、図２では、すれ違いビーム配光（ロービーム配光）状態の明るい中央部に対応する蛍光体プレート４の下半分程度の部分の蛍光体４１の密度が高いことを表すために、黒丸で蛍光体４１を表し、上半分程度の比較的暗い部分は白丸で蛍光体４１を表した。また、右下のカットオフライン以下の部分は蛍光体４１が配置されていない。なお、蛍光体の密度は、所望の配光状態に合わせて適宜変更することが可能である。
蛍光体プレート４に投影された青い光である再生光１１（又はホログラフィック液晶素子３をそのまま通過した照明光１０）は、蛍光体４１を照射し、その一部は黄色もしくは緑色と赤色に発光する（光源１の青色も残っているため、全体としては白色に発光する）。蛍光体プレート４は、プロジェクターレンズ５の焦点付近に配置されているため、そこでの白色発光像は、プロジェクターレンズ５を通って、前方に反転投影される。
プロジェクターレンズ（投影レンズ）５は、凸レンズであり、蛍光体プレート４から出射される再生光１１（又はホログラフィック液晶素子３をそのまま通過した照明光１０）を集光して前方に反転投影する。
以上のようにして、本発明の実施例による構成によれば、制御部３６により、ホログラフィック液晶素子３に印加する電圧を制御することによって、レーザ光１０を所定の再生光学像１１に変換したり、そのまま透過させたりすることが可能となる。よって、ホログラフィック液晶素子３の表面の異なる位置（例えば、それぞれに異なる波面変換情報が記録された場所である波面変換情報記録領域３ａ、３ｂ）に印加する電圧をそれぞれ独立して制御することにより、電気的に投影像の形状等を変えることが可能となる。
図３は、本発明の実施例によるホログラフィック液晶素子（回折光学素子）３を概略的に示す厚さ方向断面図である。以下、ホログラフィック液晶素子３の作製方法について説明する。
透明電極（ＩＴＯ）が形成された一対のガラス基板（透明電極２が形成されたガラス基板２０１、及び、透明電極２１２が形成されたガラス基板２１１）を用意した。ガラス基板２０１、２１１は、それぞれ、厚さ０．７ｍｍｔ程度であり、材質は無アルカリガラスである。透明電極２０２、２１２は、それぞれ、厚さ１５０ｎｍ程度であり、材質はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）であり、所望の平面形状にパターニングされている。例えば、透明電極２０２はライン状（ストライプ状）にパターニングされ、透明電極２１２は基板全面に形成されている。
ＩＴＯ付きガラス基板２０１と、もう一方のＩＴＯ付きガラス基板２１１を洗浄機にて洗浄した。洗浄方法は、アルカリ洗剤を用いたブラシ洗浄、純水洗浄、エアーブロー、紫外線照射、赤外線乾燥の順に行った。なお、洗浄方法はこれに限らず、高圧スプレー洗浄やプラズマ洗浄などを行ってもよい。
次に、一方のガラス基板（例えば、ガラス基板２０１）上に、ギャップコントロール剤を２ｗｔ％〜５ｗｔ％含んだメインシール剤２１６を形成した。形成方法として、スクリーン印刷やディスペンサが用いられる。液晶層２１５の厚さが、例えば１０μｍとなるように、ギャップコントロール剤を選択した。
他方のガラス基板（例えば、ガラス基板２１１）上には、ギャップコントロール剤２１４として径が９μｍ又は１０μｍの積水化学製のプラスチックボールを、乾式のギャップ散布機を用いて散布した。
次に、両ガラス基板２０１、２１１の重ね合わせを行い、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理することにより、メインシール剤を硬化させた。ここでは、１５０℃で３時間の熱処理を行った。
なお、空セルの作製方法は上述したものに限らず一般的な液晶素子の作製方法を用いることが可能である。
このようにして作製された空セルに、液晶を真空注入して、液晶層２１５を形成した。実施例では、高分子樹脂（光硬化性材料）と液晶とを混合したものを用いる。高分子樹脂としてはレーザ光源２１（図４、図５）の光で硬化するように、その波長で反応する光重合開始剤を微量に添加した光硬化性樹脂を用いる。また、液晶としては、混合系の液晶材料（屈折率異方性が大きいものが好ましい）を用い、高分子樹脂に液晶を混合又は溶解して注入する。なお、高分子樹脂と液晶との混合比率は５０：５０、もしくは５５：４５、６０：４０等光硬化性材料が少し多い比率であることが好ましい。
その後、図４及び図５にしめす光学分割系干渉露光装置３００を用いて、ホログラフィック液晶素子３に微細周期構造を形成（波面変換情報を記録）する。
本実施例では、後述するように、波面変換情報記録領域３ａ及び３ｂの２箇所に対してそれぞれ干渉露光を行う。波面変換情報記録領域３ａ及び３ｂの位置は、ライン状（ストライプ状）にパターニングされた透明電極２０２（又は２１２）の大きさ及び位置とあわせる。このようにすることにより、画素ごとに異なる波面変換情報が記録され、ＬＣＤスイッチングにより異種配光状態を得ることが可能となる。
図４は、ホログラフィック液晶素子３の波面変換情報記録領域（画素）３ａへの微細周期構造の形成（波面変換情報の記録）方法を説明するための図である。
図４（Ａ）は、波面変換情報記録領域（画素）３ａに記録される波面変換情報に基づき再生される再生光の配光状態を示す概念図である。
波面変換情報記録領域３ａには、例えば、図４（Ａ）に示すようなすれ違いビーム（ロービーム）配光状態（配光パターン７１ａ）が記録される。図に示す配光パターン７１ａは図１の蛍光体プレート４上に投影されるパターンであり、照明用光学系１００として用いる場合は、プロジェクターレンズ５により上下反転された光像が前方に投影される。なお、波面変換情報記録領域３ａに記録する配光パターンはこれに限らず、用途に応じて適宜変更可能である。
図４（Ｂ）は、光学分割系干渉露光装置３００の一例を示す概略図である。図中、それぞれの矢印は光線の進行方向を示す。
レーザ光源２１は、図１に示す光源１と同じ発光波長（例えば、４０５ｎｍ）を有するレーザ発振器である。なお、レーザ光源２１は、図１に示す光源１と同じ発光波長の±１０ｎｍ以内が好ましい。レーザ光源２１から発振されたレーザ光線１２は、ハーフミラー２２に４５度の角度で入射し、２つの光線１３、及び光線１４に分割される。
光線１３は、必要に応じて反射鏡２３によって反射された後に、コリメータ（ビームエキスパンダ）４０に入射する。コリメータ４０は、収束レンズ２４と、ピンホール２５と、コリメータレンズ２６とによって構成される。
コリメータ４０に入射した光線１３は、まず収束レンズ２４によって収束され、ピンホール２５内に位置する焦点を通過した後に発散して、コリメータレンズ２６に入射する。コリメータレンズ２６に入射した光線１３は、平行光線に変換されてホログラム作製用の参照光１３となる。この時、プリズムなどを用いてホログラムへの入射角度を調整しても良い。
参照光１３は、ホログラフィック液晶素子３の波面変換情報記録領域３ａの表面に角度θで入射する。ここでの入射角θは、図１の照明用光学系１００における光源１の入射角度θと同一とすることが好ましい。
一方、ハーフミラー２２で分割された光線１４は、反射鏡２７及び反射鏡２８により反射されて、物体光光学系５０に入射する。物体光光学系５０は、収束レンズ２９と、ピンホール３０と、凸レンズ３１とによって構成される。
物体光光学系５０に入射した光線１４は、まず収束レンズ２９によって収束され、ピンホール３０内に位置する焦点を通過した後に発散して、凸レンズ３１に入射する。凸レンズ３１に入射した光線１４は、さらに発散して、リフレクターミラー３２に入射する。
リフレクターミラー（ロービーム配光形成反射鏡）３２からの反射光はホログラム作製用の物体光１５となり、ホログラフィック液晶素子３の波面変換情報記録領域３ａの表面に法線方向から入射する。リフレクターミラー（ロービーム配光形成反射鏡）３２は、所望の配光状態の反射光を得るための反射鏡であり、図４に示す例では、すれ違いビーム（ロービーム）に必要な配光状態を得るための反射鏡である。
参照光１３と物体光１５とはフォトマスク３７を通じてホログラフィック液晶素子３の所定の位置（波面変換情報記録領域３ａ）に照射される。第１回目の干渉露光では、フォトマスク３７の開口部を波面変換情報記録領域３ａに合わせる。
波面変換情報記録領域３ａに入射した参照光１３と物体光１５とは、互いに干渉する。参照光１３及び物体光１５それぞれの位相情報及び振幅情報が、これらの光の干渉縞により液晶セル２１５中の光硬化性材料と液晶の分布の三次元的な縞状構造として記録される。すなわち、レーザ光源２１の光によって誘起された定在波の腹の部分で硬化が起こり、節の部分に液晶が集中することにより縞状構造が形成される。液晶は樹脂硬化の成長の方向性により配向方向が限定されるため、作製された素子は複屈折を示す。なお、ホログラフィック液晶素子３に入射する参照光１３と物体光１５の光強度比は、２：１から１０：１程度が望ましく、照射強度は５ｍＷ／ｃｍ２、照射時間は５分間（光強度の和は１．５ｍＪ／ｃｍ２）にて行う。
図５は、ホログラフィック液晶素子３の波面変換情報記録領域（画素）３ｂへの微細周期構造の形成（波面変換情報の記録）方法を説明するための図である。
図５（Ａ）は、波面変換情報記録領域（画素）３ｂに記録される波面変換情報に基づき再生される再生光の配光状態を示す概念図である。
波面変換情報記録領域３ｂには、例えば、図５（Ａ）に示すような周囲を幅広く照射する市街地配光状態（配光パターン７１ｂ）が記録される。図に示す配光パターン７１ｂは図１の蛍光体プレート４上に投影されるパターンであり、照明用光学系１００として用いる場合は、プロジェクターレンズ５により上下反転された光像が前方に投影される。なお、波面変換情報記録領域３ｂに記録する配光パターンはこれに限らず、用途に応じて適宜変更可能である。
図５（Ｂ）は、光学分割系干渉露光装置３００の一例を示す概略図である。図中、それぞれの矢印は光線の進行方向を示す。
図４（Ｂ）に示す干渉露光に続いて、図５（Ｂ）に示すように、フォトマスク３７の位置をずらして、再度干渉露光を行う。第２回目の干渉露光では、フォトマスク３７の開口部を波面変換情報記録領域３ｂに合わせる。また、物体光１５側では、第１回目の干渉露光のときとほぼ同じ位置に配置されるリフレクターミラー３２を、例えば、市街地配光形成反射鏡に入れ替え、第２回目の干渉露光を行う。
以上のようにして、ホログラフィック液晶素子３が完成する。このようにして得られたホログラフィック液晶素子３に、電圧無印加状態で角度θからレーザ光を照射すると、その再生光から光源とは反対側の法線方向にリフレクターミラー３２で作られた様々な光学像が得られる。例えば、本実施例では、画素（波面変換情報記録領域）３ａに対して電圧無印加状態で角度θからレーザ光を照射した場合は、図４（Ａ）に示すような、ロービーム配光状態７１ａの光学像を得ることができ、画素（波面変換情報記録領域）３ｂに対して電圧無印加状態の場合は、図５（Ａ）に示すような、市街地配光状態７１ｂの光学像を得ることができる。
なお、上述の実施例では、フォトマスク３７の開口部の位置を上下に変更して、それぞれの位置に角度θから参照光１３を入射させ、それぞれの位置について異なる配光パターンを有するリフレクターミラー３２を用いて干渉露光を行ったが、フォトマスク３７の開口部の位置及びリフレクターミラー３２の配光パターンを３種類以上用いて、当該種類の数と同じ回数の干渉露光を行うようにしても良い。この場合、上記の２種類の配光状態に加えて、例えば、走行ビーム（ハイビーム）配光状態や、高速走行用の配光状態を得ることができる。
次に、図６〜図９を参照して、本発明の実施例による照明用光学系１００による配光状態の切り替え動作を説明する。本実施例では、ホログラフィック液晶素子３の２つの画素（波面変換情報記録領域）３ａ及び３ｂに対する電圧の印加状態をそれぞれ独立して制御することにより、図６〜図９に示す４種類の配光状態を電気的に切り替えることが可能となる。
図６（Ａ）は、ホログラフィック液晶素子３の画素（波面変換情報記録領域）３ａをＯＦＦ（電圧無印加）状態、画素３ｂをＯＮ（電圧印加）状態にした場合の配光状態を説明するための照明用光学系１００の概略断面図であり、図６（Ｂ）は、当該状態において得られる配光状態を表す概念図である。図６（Ａ）中、それぞれの矢印は光線の進行方向を示す。また、図６（Ｂ）に示す配光状態は蛍光体プレート４上に投影されるパターンであり、照明用光学系１００として用いる場合は、プロジェクターレンズ５により上下反転された光像が前方に投影される。
照明用光学系１００点灯すると、光源１からコリメートレンズ２を介して、レーザ光１０（１０ａ及び１０ｂ）がホログラフィック液晶素子３に照射される。
図６（Ａ）に示すように、制御部３６により、ホログラフィック液晶素子３の画素（波面変換情報記録領域）３ａをＯＦＦ（電圧無印加）状態、画素３ｂをＯＮ（電圧印加）状態にすると、画素３ａに入射するレーザ光（参照光）１０ａは、当該画素３ａに記録された波面変換情報に基づき変換され、物体光１１ａとして図６（Ｂ）に示すようなすれ違いビーム（ロービーム）状態の配光パターン７１ａが再生されて蛍光体スクリーン４に投影される。図に示すように、角度θでホログラフィック液晶素子３に入射した参照光１０ａは画素３ａにより曲げられて直接蛍光体スクリーン４に投影される。
一方、画素３ｂに入射するレーザ光１０ｂは、図６（Ａ）に示すように、当該画素３ｂをそのまま透過して、ミラー７で反射して、少し広がりながら蛍光体スクリーン４に投影される。このときの配光パターン７１ｃは、図６（Ｂ）に示すように、高速走行用配光を想定しており、蛍光体スクリーン４の中心より上の部分（対向車が眩しくない領域）に明るく投影される。
ホログラフィック液晶素子３の画素（波面変換情報記録領域）３ａをＯＦＦ（電圧無印加）状態、画素３ｂをＯＮ（電圧印加）状態にした場合の、蛍光体スクリーン４上での投影像の合成像は、図６（Ｂ）に示すようになる。すなわち、すれ違い走行用のカットオフ形状を含み、蛍光体スクリーン４の中心より上の部分（対向車が眩しくない領域）に明るく投影され、対向車がいる場合の高速走行などに適した配光状態が得られる。
図７（Ａ）は、ホログラフィック液晶素子３の画素（波面変換情報記録領域）３ａをＯＮ（電圧印加）状態、画素３ｂをＯＦＦ（電圧無印加）状態にした場合の配光状態を説明するための照明用光学系１００の概略断面図であり、図７（Ｂ）は、当該状態において得られる配光状態を表す概念図である。図７（Ａ）中、それぞれの矢印は光線の進行方向を示す。また、図７（Ｂ）に示す配光状態は蛍光体プレート４上に投影されるパターンであり、照明用光学系１００として用いる場合は、プロジェクターレンズ５により上下反転された光像が前方に投影される。
図７（Ａ）に示すように、制御部３６により、ホログラフィック液晶素子３の画素（波面変換情報記録領域）３ａをＯＮ（電圧印加）状態、画素３ｂをＯＦＦ（電圧無印加）状態にすると、画素３ｂに入射するレーザ光（参照光）１０ｂは、当該画素３ｂに記録された波面変換情報に基づき変換され、物体光１１ｂとして図７（Ｂ）に示すような市街地走行用の配光パターン７１ｂが再生されて蛍光体スクリーン４に投影される。図に示すように、角度θでホログラフィック液晶素子３に入射した参照光１０ｂは画素３ｂにより曲げられて直接蛍光体スクリーン４に投影される。
一方、画素３ａに入射するレーザ光１０ａは、図７（Ａ）に示すように、当該画素３ａをそのまま透過して、ミラー７で反射して、少し広がりながら蛍光体スクリーン４に投影される。このときの配光パターン７１ｄは、図７（Ｂ）に示すように、走行ビーム（ハイビーム）配光を想定しており、蛍光体スクリーン４の中心付近（中心より下の部分を含む）に投影される。
ホログラフィック液晶素子３の画素（波面変換情報記録領域）３ａをＯＮ（電圧印加）状態、画素３ｂをＯＦＦ（電圧無印加）状態にした場合の、蛍光体スクリーン４上での投影像の合成像は、図７（Ｂ）に示すようになる。すなわち、幅広い配光と蛍光体スクリーン４の中心付近（中心より下の部分を含む）に非常に明るい配光が合成され、対向車がいない場合の市街地走行などに適した配光状態が得られる。
図８（Ａ）は、ホログラフィック液晶素子３の画素（波面変換情報記録領域）３ａ及び３ｂをともにＯＦＦ（電圧無印加）状態にした場合の配光状態を説明するための照明用光学系１００の概略断面図であり、図８（Ｂ）は、当該状態において得られる配光状態を表す概念図である。図８（Ａ）中、それぞれの矢印は光線の進行方向を示す。また、図８（Ｂ）に示す配光状態は蛍光体プレート４上に投影されるパターンであり、照明用光学系１００として用いる場合は、プロジェクターレンズ５により上下反転された光像が前方に投影される。
この場合、画素３ａに入射するレーザ光（参照光）１０ａは、図６（Ａ）を参照して説明したものと同様に、当該画素３ａに記録された波面変換情報に基づき変換され、物体光１１ａとして図８（Ｂ）に示すようなすれ違いビーム（ロービーム）状態の配光パターン７１ａが再生されて蛍光体スクリーン４に投影される。また、画素３ｂに入射するレーザ光（参照光）１０ｂは、図７（Ａ）を参照して説明したものと同様に、当該画素３ｂに記録された波面変換情報に基づき変換され、物体光１１ｂとして図８（Ｂ）に示すような市街地走行用の配光パターン７１ｂが再生されて蛍光体スクリーン４に投影される。
ホログラフィック液晶素子３の画素（波面変換情報記録領域）３ａ及び３ｂをともにＯＦＦ（電圧無印加）状態にした場合の、蛍光体スクリーン４上での投影像の合成像は、図８（Ｂ）に示すようになる。すなわち、すれ違い走行用のカットオフ形状を含む幅広い配光が得られ、対向車がいる場合の市街地走行などに適した配光状態が得られる。
図９（Ａ）は、ホログラフィック液晶素子３の画素（波面変換情報記録領域）３ａ及び３ｂをともにＯＮ（電圧印加）状態にした場合の配光状態を説明するための照明用光学系１００の概略断面図であり、図９（Ｂ）は、当該状態において得られる配光状態を表す概念図である。図９（Ａ）中、それぞれの矢印は光線の進行方向を示す。また、図９（Ｂ）に示す配光状態は蛍光体プレート４上に投影されるパターンであり、照明用光学系１００として用いる場合は、プロジェクターレンズ５により上下反転された光像が前方に投影される。
この場合、画素３ａ及び３ｂに入射するレーザ光１０ａ及び１０ｂは、図６（Ａ）を参照して説明したものと同様に、それぞれ画素３ａ及び３ｂをそのまま透過して、ミラー７で反射し、少し広がりながら蛍光体スクリーン４に投影される。
ホログラフィック液晶素子３の画素（波面変換情報記録領域）３ａ及び３ｂをともにＯＮ（電圧印加）状態にした場合の、蛍光体スクリーン４上での投影像の合成像は、図９（Ｂ）に示すようになる。すなわち、蛍光体スクリーン４の中心付近（中心より下の部分を含む）に非常に明るい配光が得られ、対向車がいない場合の高速走行などに適した配光状態が得られる。
このように、走行態様にあわせて配光状態を電気的に切り替えることが可能となるので、様々な状況において、安全に車両の走行をすることが可能となる。
以上、本発明の実施例によれば、光源１からのレーザ光１０をホログラフィック液晶素子３により所望の配光パターンに変換することが可能となる。また、ホログラフィック液晶素子３の各画素のＯＮ／ＯＦＦを適切に制御することにより、レーザ光１０を物体光として再生したりそのまま透過させたりすることができるので、所望の投影像を得ることが可能となる。
上述の実施例では、電圧印加状態で透過、電圧無印加状態でホログラム像を投影するものとしたが、液晶性の光硬化性モノマー等を用いることにより、電圧印加状態でホログラム像を投影し、電圧無印加状態で透過するように構成してもよい。なお、フェイルセーフ上はホログラフィック液晶素子３に電圧を印加しないときに投影される配光状態はロービーム用の配光パターンであることが望ましい。
また、蛍光体プレート４の厚さ（蛍光体を塗布する場合は蛍光体の塗布厚）、及び蛍光体４１の密度を、光源１から照射される光の量に応じて変化させるようにしても良い。さらに、プロジェクターレンズ（投影レンズ）５の焦点距離にあわせて、蛍光体プレート４の中央部分を、湾曲させても良い。また、蛍光体プレート４の中央部分を、ホログラフィック液晶素子３から出射される再生光１１の輝度分布にあわせて厚くしても良い。また、蛍光体プレート４の中央部分を、プロジェクターレンズ（投影レンズ）５の焦点距離にあわせて半球状に膨らませても良い。上述したような形状の蛍光体プレート４は、ガラスもしくは樹脂材料に熱を加えて液状にし、蛍光体材料を混合攪拌しながら型に流し込んで作製したり、蛍光体材料自体を攪拌し熱を加えるなどして液状にし、型に流し込んで作製したりすることができる。
なお、ホログラフィック液晶素子３のみではカットオフ形状を作りきれない場合は、図１０に示すように、カットしたい部分（形状）に遮光膜（カットオフパターン）６を形成しても良い。遮光膜６は、蛍光体プレート４とホログラフィック液晶素子３との間に配置すれば、ミラー７を経由してホログラム像の再生光１１ａとは別の光路を通るハイビーム用の配光１０ａは遮光されることなく蛍光体プレート４に投影される。
また、上述の実施例では、ホログラフィック液晶素子３を分割して、独立して電圧を印加できる領域（画素）を２つとしたが、３画素以上を設けてそれぞれに異なる配光状態（波面変換情報）を記録しても良い。また、逆に、画素を１つだけにして、例えば、ロービーム用の配光状態を記録し、ＯＮ／ＯＦＦの切り替えにより、ロービームとハイビームの切り替えのみを行うようにしても良い。この場合においても、機械的な部材を要せずに、電気的に配光状態の切り替えを行うことができる。
また、ホログラフィック液晶素子３の画素３ａ及び３ｂに照射するレーザ光１０ａ及び１０ｂの強度比を変えるようにしても良い。例えば、実施例にように画素３ａにカットオフパターン（ＯＦＦ状態）やハイビーム（ＯＮ状態）を形成する機能を持たせている場合、画素３ａに照射するレーザ光１０ａの強度を強くすることが好ましい。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
本発明の各実施例による照明用光学系は、車両用ヘッドライト及びテールライト、フォグランプ、懐中電灯、一般照明、スポットライト、舞台照明、特殊照明、車両用インテリア・エクステリア照明等の各種照明機器等への応用が行える。
１…光源、２…コリメートレンズ、３…ホログラフィック液晶素子（回折光学素子）、４…蛍光体プレート、５…プロジェクターレンズ（投影レンズ）、６…遮光膜（カットオフパターン）、７…ミラー、１０…青色レーザ（照明光）、１１…再生光、１２…レーザ光線、１３…光線（参照光）、１４…光線、１５…光線（物体光）、２１…レーザ光源、２２…ハーフミラー、２３…反射鏡、２４…収束レンズ、２５…ピンホール、２６…コリメータレンズ、２７、２８…反射鏡、２９…収束レンズ、３０…ピンホール、３１…凸レンズ、３２…リフレクターミラー、３６…制御部、３７…フォトマスク、４０…コリメータ、４１…蛍光体、５０…物体光光学系、６０…カバー、７１…配光パターン、１００…照明用光学系（ヘッドライト）、２０１、２１１…ガラス基板、２０２、２１２…透明電極、２１４…ギャップコントロール剤、２１５…液晶層、２１６…メインシール剤、３００…光学分割系干渉露光装置

Claims (4)

  1. 光線を発射する光源と、
    印加される電圧に従い、前記光源から発射される光線を、所定の配光形状を有する再生光に変換するか、又はそのまま透過させるホログラフィック液晶素子と、
    前記ホログラフィック液晶素子から入射する再生光を吸収して可視光を放射する蛍光体を含む蛍光体プレートと、
    前記蛍光体プレートから放射される可視光を前方に照射するレンズと、
    前記ホログラフィック液晶素子をそのまま透過した前記光線を反射させて、前記蛍光体プレートに入射させる反射手段と
    を有する照明用光学系。
  2. 前記ホログラフィック液晶素子は、それぞれに独立して電圧を印加可能な複数の画素を有し、
    前記複数の画素は、それぞれ、印加される電圧に従い、前記光源から発射される光線を異なる配光形状を有する再生光に変換する請求項１記載の照明用光学系。
  3. 前記光源から発射される前記光線は、中心波長が４５０ｎｍ以下であり、
    前記蛍光体は、紫外から青色までの波長領域の光を吸収して、可視光を放射する請求項１又は２記載の照明用光学系。
  4. 前記蛍光体は、前記輝度分布に対応して、密度分布又は厚さ分布を有している請求項１〜３のいずれか１項に記載の照明用光学系。
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