JP6250289B2 - 光学面決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、投影レンズに関する。

従来、車両前後方向に延びる光軸上の所定点の近傍において前方へ向けて配置された発光素子からの光を、その前方側に配置された透光部材により前方へ出射させるように構成された車両用前照灯が知られている（特許文献１参照）。

この車両用前照灯においては、発光素子から出射した光を、透光部材に入射させてその前面で内面反射させた後、その後面で再度内面反射させてその前面から出射させるように構成されている。その際、この透光部材の前面における中央領域には、発光素子からの光を内面反射させるための鏡面処理が施されている。このような構成を採用することにより、車両用前照灯を薄型に構成することが可能となる。

特開２００５−１１７０４号公報

ところで、一般的な屈折光学系や反射光学系では、一つの屈折面や反射面の前後での入力波面と出力波面とを定義すれば、唯一の屈折面や反射面を簡単に決定できる。

しかしながら、前述の透光部材は、後面から入射した光を２回の内面反射を経て前面から出射させるため、透光部材への入力波面と透光部材からの出力波面とを定義しても、透光部材の後面を一義的に決定することは困難である。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、中間波面を考慮して決定される光学面を有する投影レンズを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の投影レンズは、光源から出射した光を配光パターンとして車両前方に投影する投影レンズである。投影レンズは、光源から出射した入力波面を入射させて該投影レンズの前面の第１反射領域で内面反射させた後、該投影レンズの後面の第２反射領域で再度内面反射させ、該投影レンズの前面の屈折領域で屈折して出力波面として出射させるように構成されており、後面の第２反射領域は、前面の第１反射領域で内面反射された第１中間波面と、前面の屈折領域で屈折される前の第２中間波面とに基づいて決定される光学面である。

この態様によると、中間波面に基づいて決定された光学面を有する投影レンズを実現できる。

後面の第２反射領域は、第１中間波面を反射して得られた第２中間波面から定義される複数の光線が投影レンズの内部において互いに交差しないように構成されていてもよい。これにより、所望の配光パターンを形成する投影レンズの光学的な設計が容易となる。

本発明の別の態様は、光学面決定方法である。この方法は、後面から入射した光を２回内面反射して前面より出射する投影レンズの光学面決定方法であって、投影レンズに入射する光源の光の入力波面を設定する工程と、投影レンズから出射して所望の配光パターンを形成する光の出力波面を設定する工程と、投影レンズの前面の形状を設定する工程と、投影レンズの後面のうち、光源から出射した入力波面が入射する入射領域の形状を設定する工程と、投影レンズの前面の第１反射領域で内面反射させた第１中間波面を第１反射領域の形状に基づいて算出する工程と、投影レンズの前面の屈折領域で屈折される前の第２中間波面を屈折領域の形状に基づいて算出する工程と、後面のうち、第１中間波面を第２中間波面として反射する第２反射領域の形状を、該第１中間波面および該第２中間波面とに基づいて光学面として決定する工程と、を含む。

この態様によると、内面反射を利用して所望の配光パターンを形成する投影レンズの光学面を簡易に決定できる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、中間波面を考慮して決定される光学面を有する投影レンズを提供することができる。

図１（ａ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯を示す断面図、図１（ｂ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯を示す正面図である。 車両用前照灯から前方へ照射される光により、灯具前方の所定位置に配置された仮想鉛直スクリーン上に形成されるロービーム用配光パターンＰＬを模式的に示す図である。 透光部材が出力する波面の種類と光反射制御面との関係を模式的に示した図である。 図４（ａ）は、図３に示すＡ領域から出力される拡散波面を模式的に示す図、図４（ｂ）は、図３に示すＢ領域から出力される傾斜波面を模式的に示す図、図４（ｃ）は、図３に示すＣ領域から出力される集光波面を模式的に示す図である。 図５（ａ）〜図５（ｆ）は、発光素子から出射した円形（球面）波が、透光部材の内部での２回の内面反射を経て、前方へ平面波として出力される様子を説明するための図である。 図６（ａ）は、従来の屈折光学系における入力波面と出力波面との関係を示す図、図６（ｂ）は、従来の反射光学系における入力波面と出力波面との関係を示す図である。 図７（ａ）〜図７（ｄ）は、本実施の形態に係る透光部材の光学面決定方法を説明するための図である。

以下、本発明を実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一又は同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

はじめに、本実施の形態に係る車両用前照灯の概略構成を示す。図１（ａ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯１０を示す断面図、図１（ｂ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯１０を示す正面図である。図１（ａ）に示す矢印Ｓは、車両前後方向の前方（灯具前後方向の前方）を示している。車両用前照灯は、車両の左前部および右前部の各々に一つずつ設けられる。以下の説明では、一つの車両用前照灯１０の構成を説明する。図２は、車両用前照灯から前方へ照射される光により、灯具前方の所定位置に配置された仮想鉛直スクリーン上に形成されるロービーム用配光パターンＰＬを模式的に示す図である。

なお、以下では、図１（ａ）に示す矢印Ｓが、仮想の光軸とほぼ一致しているとして説明する。光軸とは、例えば、光源の出射光の光度分布において光束の出射量が最も大きい方向と捉えることができる。また、光源がＬＥＤの場合、発光面の垂線を光軸と捉えることもできる。また、レンズなどの透光部材を備える光学系においては、系全体を通過する光束の代表となる仮想的な光線を光軸と捉えてもよい。また、透光部材の回転対称軸を光軸と捉えてもよい。例えば、一般的な凹凸レンズでは、前後二つの面の曲率中心を結ぶ直線を光軸として定義することができる。

本実施の形態で用いられる「光軸」という言葉は、少なくとも前述のいずれかの解釈をとりうるが、必ずしもそれらの解釈に限定されるわけではなく、本願発明を逸脱しない範囲で適宜他の解釈もとりうる。以下では、一例として、透光部材の回転対称軸を光軸と捉えて説明する。

これらの図に示すように、本実施の形態に係る車両用前照灯１０は、車両前後方向に延びる光軸Ａｘ上の所定点Ｐの近傍において前方へ向けて配置された光源としての発光素子１２と、この発光素子１２に対して前方側に配置された透光部材１４とを備えている。

車両用前照灯１０は、図示しないランプボディ等に対して光軸調整可能に組み込まれた状態で用いられるようになっており、この光軸調整が完了した状態では、その光軸Ａｘが車両正面方向に対して０．５〜０．６°程度下向きに延びるようになっている。そして、この車両用前照灯１０からの照射光により、図２に示すような左配光のロービーム用配光パターンＰＬが形成される。なお、右配光のロービーム用配光パターンであっても作用効果は同様である。

発光素子１２は、白色発光ダイオードであって、水平方向に直列で配置された複数の発光チップと、これらを支持する基板とからなっている。

複数の発光チップは、互いに略密着するようにして配置された状態で、その前面が薄膜により封止されており、これにより灯具正面視において横長矩形状に発光する発光面１２ａを構成している。その際、各発光チップは１×ｌｍｍ程度の正方形の外形形状を有している。

発光素子１２は、その発光面１２ａの下端縁１２ａ１を、光軸Ａｘと所定点Ｐにおいて直交する水平線上に配置されている。つまり、発光素子１２は、下端縁１２ａ１が直線状に延びる発光面１２ａを有するとともに、発光面１２ａの下端縁１２ａ１を光軸Ａｘと略直交する水平線上に位置させるようにして配置されている。

透光部材１４は、アクリル樹脂成形品等の透明な合成樹脂成形品からなり、灯具正面視において円形の外形形状を有している。透光部材１４は、発光素子１２から出射した光を配光パターンとして車両前方に投影する投影レンズとして機能する。透光部材１４の外径寸法は、φ１００ｍｍ程度の値に設定されている。そして、この透光部材１４は、発光素子１２から出射した光を透光部材１４に入射させて、その前面１４ａで内面反射させた後、その後面１４ｂで再度内面反射させて、その前面１４ａから前方へ出射させるように構成されている。後面１４ｂは、アルミニウム等によるメッキや蒸着による鏡面処理が施されている。

透光部材１４の前面１４ａは、透光部材１４に入射した発光素子１２からの光の少なくとも一部を内面で全反射する自由曲面で構成されている。また、透光部材１４の後面１４ｂは、自由曲面を基準面として形成された所定の光反射制御面で構成されている。

また、透光部材１４の前面１４ａは、光軸Ａｘを中心とする所定範囲内の中央領域上に、発光素子１２からの光を後面１４ｂに向かって反射する円形の前面反射部２０が形成されている。前面反射部２０は、その中央部が発光素子１２側に向かって凹んでいるとともに、アルミニウム蒸着等による鏡面処理が施されている。ここで、「中央部」とは、透光部材１４の前面１４ａのうち光軸Ａｘと交差する、ある広がりを持った領域である。なお、発光素子１２の光軸を、透光部材１４の光軸Ａｘ（回転対称軸）に対して傾けて配置する場合がある。この場合には、透光部材１４の前面１４ａのうち、透光部材１４の回転対称軸とは交差しないが、発光素子１２の光軸とは交差する、ある広がりを持った領域を「中央部」と称することもある。

円形の前面反射部２０の外周縁の位置は、図１（ａ）に示すように、透光部材１４の前面１４ａに到達した発光素子１２からの光（正確には所定点Ａからの光）の入射角が臨界角αとなる位置に設定されている。そのため、透光部材１４は、透光部材１４の前面１４ａに到達した発光素子１２からの光を、鏡面処理された前面反射部２０においては内面反射させるとともに、前面反射部２０よりも外側の周辺領域１４ａ１においては全反射により内面反射させるように構成されている。

このように、本実施の形態に係る透光部材１４は、その中央部が発光素子１２側に向かって凹んでいるため、透光部材の前面が平面な場合と比較して、透光部材１４に入射した光源からの光を透光部材１４の内面で全反射させる領域を広げることができる。換言すれば、透光部材１４の前面１４ａで全反射できない発光素子１２の光を反射させるために必要な処理、例えば鏡面処理、が施された前面反射部２０の面積を少なくできる。

また、透光部材の前面が平面な場合、発光素子から光軸Ａｘ方向に出射した光は、そのまま発光素子側に戻ってしまう。そのため、発光素子から出射する光のうち、方向によってはうまく外部に取り出せないことがあり、一部の光はグレアの原因となる。本実施の形態に係る透光部材１４は、発光素子１２の正面に設けられている前面反射部２０が曲面であるため、発光素子１２から光軸Ａｘ方向に出射した光は、前面反射部２０で反射されても発光素子１２側にほとんど戻らない。

その結果、前面反射部２０で光線が複数回反射することが抑制され、透光部材１４に閉じこめられる光や配光パターンの形成に寄与せずにグレアとなる光の発生が抑制されることで、透光部材１４から出射されて配光パターンの形成に寄与する光束を更に増加させることができる。

透光部材１４の前面１４ａおよび後面１４ｂの形状は、自由曲面などの非回転対称面で構成されている。自由曲面の形状は、前面反射部２０で反射された光および周辺領域１４ａ１で全反射された光が、再度後面１４ｂで反射されてそのまま前方へ照射した場合に、平行光として透光部材１４から出射するように構成されている。

透光部材１４の後面１４ｂは、光軸Ａｘを環状に囲むようにして形成されており、この後面１４ｂの内周側には、その中心に発光素子１２を囲む空間部１４ｃが形成されている。空間部１４ｃは、その前端面が、所定点Ａを中心とする半球面状に形成されており、これにより、発光素子１２からの出射光（正確には所定点Ａからの出射光）を、屈折させることなく透光部材１４に入射させるようになっている。なお、透光部材１４を構成する材料と屈折率が近い材料で空間部１４ｃを充填してもよい。

次に、透光部材１４の後面１４ｂの、光反射制御面としての具体的な構成について説明する。図３は、透光部材１４が出力する波面の種類と光反射制御面との関係を模式的に示した図である。図４（ａ）は、図３に示すＡ領域から出力される拡散波面を模式的に示す図、図４（ｂ）は、図３に示すＢ領域から出力される傾斜波面を模式的に示す図、図４（ｃ）は、図３に示すＣ領域から出力される集光波面を模式的に示す図である。

図４（ａ）に示す拡散波面２２を有する光は、図２に示す配光パターンＰＺ１を形成する。図４（ｂ）に示す傾斜角度βの傾斜波面２４を有する光は、図２に示す配光パターンＰＺ２を形成する。図４（ｃ）に示す集光波面２６を有する光は、図２に示す配光パターンＰＺ３を形成する。そして、配光パターンＰＺ１、ＰＺ２およびＰＺ３が合成されてロービーム用配光パターンＰＬが形成される。

次に、透光部材１４における波面の変化を説明する。図５（ａ）〜図５（ｆ）は、発光素子１２から出射した円形（球面）波が、透光部材１４の内部での２回の内面反射を経て、前方へ平面波として出力される様子を説明するための図である。

ここで、波面とは、例えば、ある時間に光源からいろいろな方向に出射した各光線の同時間での広がり（等位相面）と捉えることができる。つまり、透光部材１４での複数の光線の反射や屈折を、一つの波面の伝播として表すことができる。

具体的には、図５（ａ）に示すように、光源である発光素子１２から四方に出射した光は、入力波面として透光部材１４に入射し、一つの波面Ｗとして透光部材１４の内部を伝播する。そして、図５（ｂ）に示すように、波面Ｗは透光部材１４の前面１４ａの第１反射領域で内面反射され、後面１４ｂに向かう（図５（ｃ）参照）。その後、波面Ｗは、後面１４ｂの第２反射領域で再度内面反射され、透光部材１４の前面１４ａへ向かう（図５（ｄ）、図５（ｅ）参照）。そして、波面Ｗは、前面１４ａの屈折領域で屈折されて、平面波として出力される（図５（ｆ））。なお、透光部材１４の前面１４ａにおける第１反射領域と屈折領域とは、完全に一致していてもよく、または一部が重複していてもよく、または全く重複していなくてもよい。

本発明者らは、光源から出射する複数の光線によって定義される一つの波面に着目することで、透光部材１４の光学面の設計が容易となる点に想到した。その基本的な考え方としては、反射面や屈折面等の光学面は、その前後の波面が既知であれば、一つに決まるというものである。

図６（ａ）は、従来の屈折光学系における入力波面と出力波面との関係を示す図、図６（ｂ）は、従来の反射光学系における入力波面と出力波面との関係を示す図である。図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、入力波面Ｗｉｎと出力波面Ｗｏｕｔが既知であれば、その間の屈折面Ｓ１や反射面Ｓ２は一つに決定できる。

しかしながら、本実施の形態に係る透光部材１４のように、入力波面が２回の内面反射と１回の屈折を経て出力波面として前方へ向かう場合、単に入力波面と出力波面とが既知であっても、前面１４ａと後面１４ｂとを一つに決定できない。そのため、前面と後面との形状を試行錯誤により設定しながら、所望の配光パターンを得る透光部材を決定する必要があり、設計手法に改善の余地がある。

図７（ａ）〜図７（ｄ）は、本実施の形態に係る透光部材１４の光学面決定方法を説明するための図である。この方法は、例えば、後面から入射した光を２回内面反射して前面より出射する投影レンズの光学面決定方法に用いられる。

はじめに、図７（ａ）に示すように、透光部材１４に入射する発光素子１２の光の入力波面Ｗｉｎを設定する。また、透光部材１４の後面１４ｂのうち、入力波面Ｗｉｎが入射する入射領域の形状を設定する。また、透光部材１４の前面１４ａの形状を設定する。入力波面Ｗｉｎは、入射領域である空間部１４ｃの形状が半球状の場合、発光素子１２から出射した光が入射面（後面１２ｂの一部）をそのまま通過するため、球面波として定義できる。そして、図７（ｂ）に示すように、透光部材１４の前面１４ａの第１反射領域（周辺領域１４ａ１）で内面反射させた第１中間波面Ｗｉｎ’を第１反射領域の形状に基づいて算出する。

一方、図７（ｃ）に示すように、透光部材１４から出射して所望の配光パターンを形成する光の出力波面Ｗｏｕｔを設定する。出力波面Ｗｏｕｔは、例えば、所望の配光パターンを形成する平面波として定義できる。また、透光部材１４の前面１４ａの屈折領域（周辺領域１４ａ１）で屈折される前の第２中間波面Ｗｏｕｔ’を屈折領域の形状に基づいて算出する。

そして、後面１４ｂのうち、第１中間波面Ｗｉｎ’を第２中間波面Ｗｏｕｔ’として反射する第２反射領域１４ｂ１の形状を、第１中間波面Ｗｉｎ’および第２中間波面Ｗｏｕｔ’とに基づいて光学面として決定する。これにより、内面反射を利用して所望の配光パターンを形成する透光部材１４の光学面を簡易に決定できる。

上述のように、投影レンズとして機能する透光部材１４は、発光素子１２から出射した入力波面Ｗ１を入射させて前面１４ａの第１反射領域で内面反射させた後、後面１４ｂの第２反射領域１４ｂ１で再度内面反射させ、前面の屈折領域で屈折して出力波面として出射させるように構成されている。そして、後面１４ｂの第２反射領域１４ｂ１は、前面１４ａの第１反射領域で内面反射された第１中間波面Ｗｉｎ’と、前面１４ａの屈折領域で屈折される前の第２中間波面Ｗｏｕｔ’とに基づいて決定される光学面である。このように、透光部材１４は、２つの中間波面に基づいて決定された光学面を有する。

なお、後面１４ｂの第２反射領域１４ｂ１は、図７（ｄ）に示すように、第１中間波面Ｗｉｎ’を反射して得られた第２中間波面Ｗｏｕｔ’から定義される複数の光線Ｌ１，Ｌ２が透光部材１４の内部において互いに交差しないように構成されている。これにより、所望の配光パターンを形成する透光部材１４の光学的な設計が容易となる。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

透光部材１４の後面１４ｂの形状は、複数の反射素子に区分けされたステップリフレクタ状であってもよい。また、透光部材１４の前面１４ａは、非回転対称面であってもよい。また、透光部材１４の前面１４ａは、スラント形状であってもよい。また、光源は、光軸を中心に回転させて配置してもよい。つまり、光源の発光面の下端や上端が水平方向に対して斜めになるように光源を配置してもよい。

また、上述の実施の形態では、透光部材の内面を反射面とした２回の反射を利用してアプラナチックな構成を実現しているが、必ずしもこれに限られず、前面および後面を屈折面として利用してアプラナチックな構成を実現できる透光部材であってもよい。また、屈折面と反射面とを組み合わせてアプラナチックな構成を実現できる透光部材であってもよい。

光源としては、小型で低消費電力（発熱量が小さい）のＬＥＤが好ましい１つの例であるが、発光面の少なくとも一辺を直線状にできるのであれば、光源の種類はＬＥＤなどに限定されない。ただし、小型で発熱量の小さいＬＥＤを光源として用いることで、透光部材の材料（例えば樹脂レンズ）の選択の幅が広がるとともに、光源と透光部材をより近付けることが可能となるため、灯具自体の小型化や設計の自由度の向上が図られる。

なお、一般的な「自由曲面」とは、例えば、２次曲線（面）や３次曲線（面）など決まった式で表すことができない曲面と捉えることができる。前述の透光部材１４の前面１４ａおよび後面１４ｂの少なくとも一部を構成する自由曲面は、前述の作用効果を満たす構成であれば特に限定されない。

１０ 車両用前照灯、 １２ 発光素子、 １２ａ 発光面、 １２ｂ 後面、 １４ 透光部材、 １４ａ 前面、 １４ａ１ 周辺領域、 １４ｂ 後面、 １４ｂ１ 第２反射領域、 １４ｃ 空間部、 ２０ 前面反射部。

Claims (1)

1. 後面から入射した光を２回内面反射して前面より出射する投影レンズの光学面決定方法であって、
   投影レンズに入射する光源の光の入力波面を設定する工程と、
   投影レンズから出射して所望の配光パターンを形成する光の出力波面を設定する工程と、
   前記投影レンズの前面の形状を設定する工程と、
   前記投影レンズの後面のうち、前記光源から出射した入力波面が入射する入射領域の形状を設定する工程と、
   前記投影レンズの前面の第１反射領域で内面反射させた第１中間波面を前記第１反射領域の形状に基づいて算出する工程と、
   前記投影レンズの前面の屈折領域で屈折される前の第２中間波面を前記屈折領域の形状に基づいて算出する工程と、
   前記後面のうち、前記第１中間波面を前記第２中間波面として反射する第２反射領域の形状を、該第１中間波面および該第２中間波面とに基づいて光学面として決定する工程と、
   を含む光学面決定方法。

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