JP6383953B2 - 照明装置およびその照明装置を搭載した自動車 - Google Patents

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Description

本発明は、発光ダイオード(LED)等の固体発光素子を光源とする車両用灯具等の照明装置およびその照明装置を搭載した自動車に関する。特に、本発明は、昼間において、自分の車両の存在を他の車両のドライバーまたは歩行者などに視認させる車両用灯具(いわゆる、昼間走行ライト(DRL)、デイタイムランニングライト、昼間灯)およびその車両用灯具を搭載した自動車に関する。
DRLは現在、欧州などで、規格が制定され、米国などもその規格に準拠するようになってきている。DRLでは、光の広がりが、上下方向に対して、左右方向に広い広がりを持つことが求められている。
従来の昼間走行ライト(DRL)としては、光源の出射光を、レンズあるいは反射鏡を用いて、直接正面方向へ出射するものがある。たとえば、ヘッドライトのハイビームを減光することで、昼間走行用の配光となるようにLEDアレイの発光量または発光数を変えているものがある(例えば、特許文献1参照)。
図19は、特許文献1に記載された従来の昼間走行ライトを示す図である。図19において、昼間走行ライトは、ヘッドライトと共用する方式であり、複数のLEDを有するLEDアレイ11とレンズ12とからなる。LEDアレイ11から出射された光は、レンズ12でコリメートされる。レンズ12の光軸に近いLEDからの光は、光軸方向すなわち、正面方向の光となり、レンズ12から出射される。一方、レンズ12の光軸から離れたLEDからの光は、左右方向への光となり、レンズ12から出射される。このように、図19に示される昼間走行ライトでは、LEDアレイ11の各々のLEDの光量を調整することで、昼間走行用の配光を実現している。
また、その他の昼間走行ライトとしては、導光板を用いて、ライン状の光源を形成するものもある(例えば、特許文献2参照)。
図20は、特許文献2に記載された従来の昼間走行ライトを示す図である。図20において、昼間走行ライトは、高出力LED13と導光板14と導光板14に形成されたプリズム15とからなる。なお、図20では、光16も図示している。高出力LED13から出射した光は、導光板14に入射し、導光板14内を全反射しながら伝播する。導光板14内を伝播する光は、プリズム15に入射すると、その光の一部がプリズム15により光路が曲げられ、導光板14の伝播の全反射条件からはずれ、導光板14の外部に出射される。
特開2010−67417号公報 特開2012−169170号公報
しかしながら、ヘッドライトと共用する方式の従来の昼間走行用の照明装置では、この照明装置の外形形状を自由に変えることが困難である。そのため、このような照明装置では、他のドライバーおよび歩行者から視認されやすいように、たとえば、車体の前方斜めにライン状に配置しなければらないので、配置の自由度が少ないという課題を有している。
また、導光板を用いた従来の昼間走行用の照明装置では、視認性およびデザイン性に優れたライン状の光源を形成することが容易で、配置の自由度も高い。しかし、このような照明装置は、光効率が低いという課題を有している。具体的には、導光板を用いた昼間走行用の照明装置では、LEDから導光板への入光時のロス、さらには、導光板から光を取り出す際の大きな光ロスが生じるために、一般的には光効率が低い。
本発明は、このような課題を解決するものであり、光効率が高く、配置の自由度が高く、視認性に優れた照明装置および自動車を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る照明装置の一態様は、複数の光源と、前記複数の光源のそれぞれの上部に位置する複数のレンズユニットと、を有する照明装置であって、前記複数のレンズユニットのそれぞれは、前記複数の光源のそれぞれの上部に位置する透過レンズと、前記複数の光源の配列方向と平行な方向で前記透過レンズの周辺に位置する第1全反射レンズと、前記複数の光源の配列方向と垂直な方向で前記透過レンズの周辺に位置する第2全反射レンズと、有し、前記透過レンズの入射面および出射面は、2軸のアナモフィック非球面であり、前記第1全反射レンズと前記第2全反射レンズとの入射面、出射面および全反射面は、2軸のアナモフィック非球面であり、前記透過レンズの前記入射面および前記出射面の少なくとも1つには、微小レンズアレーが形成され、前記第1全反射レンズと前記第2全反射レンズとの前記出射面、前記全反射面および前記入射面の少なくとも1つには、微小レンズアレーが形成され、前記透過レンズ、前記第1全反射レンズおよび前記第2全反射レンズの前記微小レンズアレーは、微小レンズが周期的に配列された構造であり、かつ、前記照明装置の上下方向と左右方向とに沿って配列されている。
また、本発明に係る自動車の一態様は、上記照明装置を備える。
本発明に係る照明装置の一態様によれば、光源と2軸のアナモフィック非球面で構成されたレンズユニットとからなり、レンズユニットの出射面は、アナモフィック非球面が包絡線となるように微小レンズアレーが形成される。これにより、光源からの出射光は、透過レンズおよび全反射レンズのアナモフィック非球面により、それぞれの出射面より若干大きいサイズの光束となる。
したがって、照明装置を見たときに出射光がライン状で連続することになるので、照明装置からの出射光は、微小レンズアレーにより、広い角度範囲で均一な光束を形成する。この結果、高い視認性を有する照明装置を実現できる。
また、光源からの出射光は、透過レンズとその周辺に配置された全反射レンズとにより、そのほぼ全てが正面方向へ出射する。この結果、光効率の高い照明装置を実現できる。
また、複数の光源とレンズユニットとを配列して構成されているので、これらの配列の方向を変えることによって、車体への配置位置の制限を少なくすることができる。つまり、配置の自由度の高い照明装置を実現できる。
図1Aは、実施の形態1における自動車の照明装置の位置を示す平面図である。 図1Bは、実施の形態1における他の自動車の照明装置の位置を示す平面図である。 図2は、実施の形態1における照明装置を模式的に示す断面図である。 図3は、図2に示す照明装置をX軸に垂直な方向で切断したときの断面図である。 図4Aは、図1Bに示す1つのレンズユニットをZ軸方向から見たときの平面図である。 図4Bは、図2のB−B線におけるレンズユニットの断面図である。 図5Aは、実施の形態1におけるレンズユニットの出射面の拡大図である。 図5Bは、実施の形態1におけるレンズユニットの出射面の拡大図である。 図6は、実施の形態1における微小レンズアレーを模式的に示す部分拡大図である。 図7Aは、実施の形態1のレンズユニットでの光束を示す図である。 図7Bは、実施の形態1のレンズユニットでの光束を示す図である。 図8は、実施の形態1における微小レンズアレーへの入射光束の広がりを示す図である。 図9は、実施の形態1における微小レンズアレーの第2円弧および第4円弧から出射された光束を示す図である。 図10は、実施の形態1における微小レンズアレーの第1円弧および第3円弧から出射された光束を示す図である。 図11は、実施の形態1における微小レンズアレーから出射された光束を示す図である。 図12は、変形例1における照明装置を模式的に示す断面図である。 図13は、変形例1における他の照明装置を模式的に示す断面図である。 図14Aは、実施の形態1における照明装置を正面から見たときの平面図である。 図14Bは、変形例2における照明装置を正面から見たときの平面図である。 図14Cは、変形例2における他の照明装置を正面から見たときの平面図である。 図14Dは、変形例2におけるさらに他の照明装置を正面から見たときの平面図である。 図15は、変形例3における照明装置の透過レンズと全反射レンズとを模式的に示す部分拡大断面図である。 図16は、変形例4における照明装置を模式的に示す断面図である。 図17は、変形例5における照明装置の微小レンズアレーを模式的に示す図である。 図18Aは、変形例6における照明装置を模式的に示す断面図である。 図18Bは、変形例6における他の照明装置を模式的に示す断面図である。 図19は、特許文献1に記載された従来の昼間走行ライトを示す図である。 図20は、特許文献2に記載された従来の昼間走行ライトを示す図である。
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であって本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺等は必ずしも一致しない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
(実施の形態1)
図1Aおよび図1Bは、自動車150において、実施の形態1の照明装置130の位置を示す平面図である。図1Aおよび図1Bでは、自動車150の先端部分を示している。
図1Aおよび図1Bに示すように、照明装置130は、自動車150の前方の左右に配置される。例えば、図1Aでは、照明装置130は、自動車150のコーナーの斜め部分に配置される。また、図1Bでは、照明装置130は、自動車150の正面に正対する部分に配置される。
照明装置130は、自動車150を正面から見たときに均質な光を出射する必要がある。そのため、照明装置130では、人および対向車への被視認性を高めるために、光の広がりを上下方向よりも水平方向に広くするとよい。
図2および図3は、実施の形態1における照明装置130を模式的に示す断面図である。図2および図3における断面位置は、LED101の中心を通る位置である。
図2では、紙面上側をZ軸方向、右方向をX軸方向、紙面奥行き方向をY軸方向とする。この座標系では、Z軸正方向が正面(図1Aおよび図1Bの自動車150の正面)で、Y軸方向が上下方向で、X軸方向が左右方向で、XZ面が紙面上である。また、図3は、図2に示す照明装置をX軸に垂直な方向で切断したときの断面図であり、図2をX軸方向から見たときの図を示している。
図2および図3に示すように、照明装置130は、基板102と、基板102に実装された複数のLED(光源)101と、複数のLED101のそれぞれに対応して配置される複数のレンズユニット103とを有する。本実施の形態において、複数のレンズユニット103は、複数のLED101のそれぞれの上部(直上)に位置する。照明装置130は、さらに、複数のレンズユニット103の上部に位置する保護カバー110を有する。
複数のレンズユニット103のそれぞれは、複数のLED101のそれぞれに対応して配置される透過レンズ104と、透過レンズ104に隣り合う位置に配置された全反射レンズ105および115(図3)とを有する。本実施の形態において、各透過レンズ104は、複数のLED101のそれぞれの上部に位置する。また、全反射レンズ105および115(図3)は、透過レンズ104の周辺に位置する。
複数のLED101は、XZ面上で基板102上にほぼ等間隔で配列されている。各LED101からは、完全な拡散光に近い配光の光が出射される。また、各LED101は、光源のムラがでないように、それぞれほぼ同じ光束を出射する。
<透過レンズ104>
透過レンズ104は、入射面(下面)および出射面(上面)を有する。透過レンズ104の入射面および出射面は、いずれも、2つの円筒軸を有する2軸のアナモフィック非球面である。本実施の形態において、透過レンズ104の入射面および出射面におけるアナモフィック非球面の2つの円筒軸は、XZ面内とYZ面内とにそれぞれある。2軸のアナモフィック非球面は、2つのアナモフィック非球面の円筒面を互いに直交するように重ねた合わせた形状である。
光束31は、透過レンズ104を透過する光束である。透過レンズ104の入射面での屈折作用により、光束31は、拡大または縮小される。このように、照明装置130では、透過レンズ104の入射面に、2軸のアナモフィック非球面が用いられている。このため、光束31は、XZ面とYZ面との両方において、透過レンズ104の出射面上では、透過レンズ104の出射面よりも若干広がる。
この光の広がりが、隣接する全反射レンズ105と全反射レンズ115の出射面108および112に形成された微小レンズアレー116の微小レンズ(後の図5A、図5Bで説明)の0.5周期〜1周期分かかるように、透過レンズ104の入射面の曲率が設定される。
透過レンズ104から出射された光束と、全反射レンズ105,115から出射された光束とは、互いに、わずかに重なり合う。これにより、複数のLED101の配列方向に連続した切れ目の無いライン状の光源を形成することとなる。
透過レンズ104の出射面は、光束31が正面方向に向けて平行光化されるように曲率が設定される。ただし、各LED101の発光面は、点光源でなく、大きさを持った面光源であるので、透過レンズ104の出射光は、指向性のある広がりを持った光束となる。
<全反射レンズ105>
図2に示すように、全反射レンズ105(第1全反射レンズ)は、複数のLED101の配列方向と平行な方向で透過レンズ104の周辺に位置する。本実施の形態において、全反射レンズ105は、複数のLED101の配列方向における透過レンズ104の両側面部分に設けられている。つまり、全反射レンズ105は、1つの透過レンズ104に対して、当該透過レンズ104の両側面に一対設けられている。
より具体的には、一対の全反射レンズ105は、複数のLED101の配列方向(X軸方向)で透過レンズ104に隣接しており、光学的な界面なく、透過レンズ104と一体で形成されたレンズある。
全反射レンズ105は、入射面、出射面および全反射面106を有する。全反射レンズ105の入射面、出射面および全反射面は、2軸のアナモフィック非球面である。
LED101の光束ができるだけ多く全反射レンズ105に入射するように、全反射レンズ105の入射面の下端は、LED101の発光面の高さ近傍となるように配置される。
光束32は、LED101から全反射レンズ105の全反射面106に入射する光束である。
光束33は、光束32が、全反射面106で反射し、全反射レンズ105に入射する光束である。
全反射レンズ105の入射面での屈折作用により、光束32は、拡大または縮小される。このように、照明装置130では、全反射レンズ105の入射面に2軸のアナモフィック非球面が用いられている。このため、XZ面とYZ面との両方において、光束32が全反射レンズ105の全反射面106上で全反射面106を超えないような大きさになるように、全反射レンズ105の入射面の曲率が設定される。
また、全反射レンズ105の全反射面106に2軸のアナモフィック非球面を用いることで、光束33は、XZ面とYZ面との両方において、全反射レンズ105の透過面より若干大きくなる。
透過レンズ104から出射された光束と同様に、全反射レンズ105の出射面では、光束が正面方向に向けて平行光化されるように曲率が設定される。
<全反射レンズ115>
図3に示すように、全反射レンズ115(第2全反射レンズ)は、複数のLED101の配列方向と垂直な方向で透過レンズ104の周辺に位置する。本実施の形態において、全反射レンズ115は、複数のLED101の配列方向と直交する方向で透過レンズ104の両側面部分に設けられている。つまり、全反射レンズ115は、1つの透過レンズ104に対して、当該透過レンズ104の両側面に一対設けられている。
具体的には、一対の全反射レンズ115は、複数のLED101の配列方向と直交する方向(Y軸方向)で透過レンズ104に隣接しており、透過レンズ104と光学的な界面なく、透過レンズ104と一体で形成されたレンズである。
全反射レンズ115は、入射面、出射面および全反射面107を有する。全反射レンズ115の入射面、出射面および全反射面は、2軸のアナモフィック非球面である。
LED101の光束ができるだけ多く全反射レンズ115に入射するように、全反射レンズ115の入射面の下端は、LED101の発光面の高さ近傍となるように配置される。
光束35は、全反射レンズ115に入射する光束であり、光束36は、全反射レンズ115の全反射面107で反射し、出射面に進む光束である。
全反射レンズ105の出射面(図2)と同様に、全反射レンズ115の出射面では、光束が正面方向に向けて平行光化されるように曲率が設定される。
透過レンズ104の出射面での輝度と、全反射レンズ105(図2)の出射面での輝度と、全反射レンズ115の出射面での輝度とがほぼ等しくなるように、透過レンズ104の入射面の面積と出射面の面積、全反射レンズ105の入射面の面積と出射面の面積、および、全反射レンズ115の入射面の面積と出射面の面積のそれぞれが設定される。
例えば、各レンズの入射面の面積が広くなると、LED101からの入射光束が増えて出射面での輝度が高くなる。したがって、各レンズの入射面の面積を狭くするか、あるいは、各レンズの出射面の面積を広くすることで、各レンズの出射面の輝度を調整できる。
<レンズユニット103>
複数のレンズユニット103のそれぞれは、上述のとおり、透過レンズ104と全反射レンズ105と全反射レンズ115とで形成される。複数のレンズユニット103と複数のLED101とは、1対1で対応して配置される。
複数のレンズユニット103では、隣接するレンズユニット103の間に光学的な界面がないように、一体で形成される。透過レンズ104、全反射レンズ105および全反射レンズ115の材質は、ポリカーボネートまたはアクリルなどの透明樹脂、あるいは、ガラスなどの透光性材料によって構成されるる。また、照明装置1は、太陽光にさらされる場合もあるので、透過レンズ104、全反射レンズ105および全反射レンズ115は、耐候性の高い素材で形成されることが望ましい。
図4Aは、図1Bにおいて、1つのレンズユニット103をZ軸方向から見たときの平面図である。1つのレンズユニット103の出射面は、ほぼ方形であり、レンズユニット103と、全反射レンズ105と、全反射レンズ115とが組み合わされて形成される。
図4Bは、図2のB−B線における断面図である。各レンズユニット103の外形は、このレンズユニット103に対応するLED101を囲うような形状、たとえば長方形に近い形状である。各レンズユニット103では、LED101の周辺に全反射レンズ105と全反射レンズ115とが配置される。全反射レンズ105および115の入射面は、2軸のアナモフィック非球面であるので、曲率を有する形状となっている。
レンズユニット103の断面形状が円形形状として、入射面と全反射面とを形成すると、LED101からの光束を出射面上で長方形に変換する時に、光ロスが生じやすくなる。このため、ここでは、全反射レンズ105と全反射レンズ115とを用いて、レンズユニット103の入射面が長方形に近くなるように配置している。
<出射面108,112>
図2の破線で示された出射面108は、XZ面におけるレンズユニット103の出射面の断面を示している。出射面108は、透過レンズ104の出射面と全反射レンズ105の出射面との断面で形成される。
図3の破線で示された出射面112は、YZ面におけるレンズユニット103の出射面の断面を示している。出射面112は、透過レンズ104の出射面と全反射レンズ115の出射面との断面で形成される。
透過レンズ104の入射面および出射面の少なくとも1つには、微小レンズアレーが形成されている。また、全反射レンズ105および115の各々の出射面、全反射面および入射面の少なくとも1つには、微小レンズアレーが形成されている。微小レンズアレーは、微小レンズが周期的に配列された構造であり、かつ、照明装置130の上下方向と左右方向とに沿って配列されている。以下、この微小レンズアレーの一例について、図5Aおよび図5Bを用いて説明する。
図5Aは、出射面108の拡大断面図であり、図5Bは、出射面112の拡大断面図である。
図5Aおよび図5Bに示すように、出射面108および112には、周期Sで配列された複数の微小レンズを有する微小レンズアレー116が形成されている。出射面108および112の包絡線125は、透過レンズ104および全反射レンズ105の2軸アナモフィック非球面である。
微小レンズアレー116における微小レンズの配列方向は、LED101およびレンズユニット103の配列方向にかかわらず、照明装置130の上下方向および左右方向である。出射面108と出射面112とでは、微小レンズアレー116における各微小レンズのレンズ曲率が異なる。
図6は、微小レンズアレー116の上下方向の断面形状の部分拡大図である。
図6に示すように、微小レンズアレー116は、周期構造であり、第1円弧51、第2円弧52、第3円弧53および第4円弧54の4つの円弧で形成される。微小レンズアレー116における4つの円弧における隣り合う2つの円弧の間は、接線の傾きが一致するように連続している。例えば、隣り合う2つの円弧同士は、接線の傾斜角が等しくなるように滑らかに接続されている。なお、図6では、第1円弧51が谷側、第3円弧53が山側、第2円弧52と第3円弧53とが斜面を形成している。
図6に示す破線は、第1円弧51と第2円弧52との接続点における接線を示している。第1円弧51と第2円弧52の各円弧間は、同じ傾きの接線であるとよい。また、各円弧間がスムーズに変化することで光のむらを抑制できる。
なお、第2円弧52と第3円弧53、第3円弧53と第4円弧54、第4円弧54と第1円弧51については図示しないが、第1円弧51と第2円弧52の場合と同様である。
微小レンズアレー116の左右方向の断面についても、上下方向と同様な断面構造を有する。だたし、上下方向と左右方向とでの光の広がりを変えるため、周期、円弧の曲率、および、円弧の山と谷の高さは、上下方向と左右方向とで異なる。
照明装置130の上下方向と左右方向とでは出射光の光束広がりが異なるようになっている。具体的には、上下方向よりも左右方向を広くして、視認性を高くしている。よって、微小レンズアレー116の4つの円弧の高さおよび曲率は、XZ面の断面である出射面108とYZ面の断面である出射面112とで異なるようにしている。
具体的には、左右方向の光束広がりに影響するXZ断面の出射面108では、第2円弧52および第4円弧54の傾斜を大きくしている。
一方、上下方向の光束広がりに影響するYZ断面の出射面112では、第2円弧52および第4円弧54の傾斜を小さくしている。
このような出射面108および112にすることで、左右方向の光束の広がりを上下方向の光束の広がりよりも広くすることができる。
第2円弧52および第4円弧54は、傾斜角を小さくすると、微小レンズアレー116の微小レンズのレンズ高さは小さくなり、傾斜角を大きくすると、微小レンズアレー116のレンズ高さが高くなる。このため、レンズユニット103の概観は、上下方向に深い溝筋があり、左右方向に浅い溝筋があるように見える。
なお、微小レンズアレー116は、レンズユニット103上に少なくとも2周期以上にするとよく、周期数を多くすることで、より均一なライン状に見せることができる。
<保護カバー110>
図2および図3に示すように、保護カバー110は、透明でほぼ均一の厚みの透光性カバーである。図2および図3では、レンズユニット103からの出射面108および112側の断面の一部を示している。保護カバー110の材質は、ポリカーボネートまたはアクリルなどの透明樹脂、あるいはガラスなどである。保護カバー110の材質は、耐候性および紫外線吸収効果を有するものであるとよい。保護カバー110で紫外線を低減することでレンズユニット103への紫外線によるダメージを低減できる。
<光束31、光束33、光束36の広がり>
図7Aは、XZ面内における透過レンズ104および全反射レンズ105のレンズ内での光束31および33を示す模式図である。図7Aにおいて、光束31および33は、中央部分のレンズでのみ示す。
透過レンズ104に入射出する光束31は、入射面の2軸のアナモフィック非球面で拡大または縮小され、透過レンズ104の射出面に進む。このとき、XZ面内での光束31の幅W1は、透過レンズ104の射出面の幅より少なくとも微小レンズアレー116の1周期分、好ましくは、2周期分以上大きくなるようにアナモフィック非球面が設定される。
同様に、全反射レンズ105の全反射面106で反射した光束33は、全反射面106の2軸のアナモフィック非球面で拡大または縮小され、全反射レンズ105の射出面に進む。このとき、XZ面内での光束33の幅W3は、全反射レンズ105の射出面の幅より少なくとも微小レンズアレー116の1周期分、好ましくは、2周期の分以上大きくなるようにアナモフィック非球面が設定される。
図7Bは、YZ面内における透過レンズ104および全反射レンズ105のレンズ内での光束31および36を示す模式図である。透過レンズ104に入射出する光束31は、入射面の2軸のアナモフィック非球面で拡大または縮小され、透過レンズ104の射出面に進む。このとき、XZ面内での光束31の幅W1は、透過レンズ104の射出面の幅より少なくとも微小レンズアレー116の1周期分、好ましくは、2周期分以上大きくなるようにアナモフィック非球面が設定される。
全反射レンズ115の全反射面107で反射した光束36は、全反射面の2軸のアナモフィック非球面で拡大または縮小され、全反射レンズ115の射出面に進む。このとき、XZ面内での光束36の幅W6は、透過レンズ104側に少なくとも微小レンズアレー116の0.5周期分、好ましくは、1周期分以上広がるようにアナモフィック非球面が設定される。
<動作>
上記のように構成された照明装置130(昼間走行ライト)の動作について説明する。
図2および図3において、LED101から出射された光束31は、直上に配置された透過レンズ104の入射面に入る。透過レンズ104の入射面が非球面アナモフィック面であるので、光束31は、透過レンズ104の出射面上において、透過レンズ104の出射面より若干大きく、かつ、隣接する全反射レンズ105および115に若干重なるサイズとなる。また、透過レンズ104の出射面108および112での屈折作用により、光束31は広がりの中心方向が正面方向となるように出射される。透過レンズ104の出射面108および112には微小レンズアレー116(図5A、図5B)が形成されているので、出射光は上下方向および左右方向に広がった光束となる。
<微小レンズアレー116による光束の広がり>
図8〜図11は、微小レンズアレー116による光束の広がりを説明する図である。微小レンズアレー116は、実際には2軸のアナモフィック非球面上に形成されているが、説明を簡単化するため、図8〜図11では平面上の微小レンズアレー116の例を示す。
図8は、微小レンズアレー116への入射光束の広がりを示す図である。微小レンズアレー116への入射光束は、LED101の出射光を平行光化したものなので、ある程度の指向性を有する光束となっている。LED101の発光面が小さいので、透過レンズ104および全反射レンズ105の焦点距離が長いほど、光束の指向性は高くなる。
図9は、図8の光束が、微小レンズアレー116へ入射した時に、第2円弧52と第4円弧54(図6)から出射された光束の広がりを示す図である。
第2円弧52と第4円弧54は、プリズムの傾斜面に相当するので、光束の方位を変える作用を持つ。また、第2円弧52および第4円弧54は、曲率をもつので、光束を広げる作用も持つ。したがって、第2円弧52から出射された光束52hと第4円弧から出射された光束54hは、図8の光分布を広げて、分布の方位を横ずれさせて重ねた合成光束Gとなる。
図10は、図8の光束が微小レンズアレー116へ入射した時に、第1円弧51と第3円弧53(図6)から出射された光束の広がりを示す図である。
第1円弧51から出射された光束51hと第3円弧53から出射された光束53hとでは、図2の光束がレンズ作用で光分布が広がった状態となる。
図11は、微小レンズアレー116から出射された光束を示す図である。図11では、図9と図10の合成、つまり、第1円弧51から第4円弧54から出射された光束を重ね合わせたときの光束の広がりを示している。
光束52hと光束54hとは、光束の広がりの幅を広げる。光束51hと光束53hにより、光束の中央部分を埋める。
結果、広い方位角で均一な合成光束Gを出射することができ、照明の視認性を高めることができる。
<全反射レンズ105、115での光>
図2で、LED101から出射された左右への斜め光束32は、全反射レンズ105に入射する。全反射レンズ105の入射面の2軸のアナモフィック非球面にXZ面内とYZ面内で別々の倍率で拡大または縮小される。
入射した光束32は、すべて、全反射レンズ105に入射し、光束33として反射される。全反射レンズ105も2軸のアナモフィック非球面である。
光束33は、全反射レンズ105の出射面によって、わずかに大きくなり出射される。全反射レンズ105の出射光は、出射面により、光束の中心が正面方向となるように出射される。全反射レンズ105の出射面には、微小レンズアレー116(図5A)が形成されている。このため、透過レンズ104の出射光と同様に、全反射レンズ105の出射光は、上下方向および左右方向に広がった光束となる。
同様に、図3で、LED101から出射された上下への斜め光束35は、全反射レンズ115に入射する。すなわち、光束35は、アナモフィック非球面から入射し、全反射され、光束36となり、出射面に形成された微小レンズアレー116(図5B)により、上下方向および左右方向に広がった光束となる。
透過レンズ104から出射された光束と、全反射レンズ105および115から出射された光束とは、互いにわずかに重なり合うので、LED101の配列方向に連続した切れ目の無いライン状の光源を形成することとなる。
<光の全体の広がり>
照明装置130を正面から見たときに、全反射レンズ105と全反射レンズ115と透過レンズ104とで方形形状となっている。例えば、照明装置130を正面から見たときに、2つの全反射レンズ105と2つの全反射レンズ115とで透過レンズ104を囲んでおり、かつ、全反射レンズ105と全反射レンズ115と透過レンズ104とが全体で方形形状となっている。
本実施の形態では、図4Aに示すように、レンズユニット103の出射面は、透過レンズ104と全反射レンズ105と全反射レンズ115とを組み合わせて、その全体が長方形となっている。LED101からの光束は、上記で説明したように、それぞれのレンズにより、それぞれのレンズの出射面上で互いにわずかに重なり合うように拡大または縮小される。
また、それぞれのレンズでの入射面と出射面の面積を調整しているので、それぞれのレンズでの出射面での輝度は等しくなる。よって、レンズユニット103を配列することで、均一なライン状の光源にすることができる。
また、図4Bに示すように、LED101からの光束を入射面が方形に近い形状でレンズに入射させ、2軸のアナモフィック非球面を用いることで、光損失をほとんど生じさせず、方形形状の出射面に光束を広げることができる。
以上説明したように、照明装置130は、LED101と、2軸のアナモフィック非球面で構成されたレンズユニット103とからなる。レンズユニット103の出射面は、アナモフィック非球面が包絡線125となるように微小レンズアレー116が形成される(図5A、図5B)。これにより、LED101からの出射光は、透過レンズ104と全反射レンズ105および115とのアナモフィック非球面により、それぞれのレンズの出射面より若干大きいサイズの光束となる。
したがって、照明装置130を見たときに、出射光がライン状に連続することになるので、照明装置130からの出射光は、微小レンズアレー116により、広い角度範囲で均一な光束を形成する。この結果、高い視認性を有する照明装置130を実現できる。
また、LED101からの出射光は、透過レンズ104とその周辺に配置された全反射レンズ105および115とにより、そのほぼ全てが正面方向へ出射する。これにより、光効率の高い照明装置を実現できる。
また、照明装置130では、1つのLED101と、その1つのLED101に対応した1つのレンズユニット103とのペアになっている。そのため、複数のペアの配列の方向を変えることで自動車150への配置位置の制限を少なくすることができる。つまり、配置の自由度の高い照明装置を実現できる。
また、照明装置130では、全反射レンズ105と全反射レンズ115とは、LED101を囲っている。さらに、全反射レンズ105と全反射レンズ115とは、長方形に近い形状となっている。
これにより、入射された光束がレンズユニット103の出射面上で長方形の光束に変換される時に、光ロスを低減できる。なお、LED101からの光束を、断面が円形の入射面と全反射面とで受けると、出射面上で入射された光束を長方形に変換する時に、光ロスが生じやすい。
また、本実施の形態では、透過レンズ104の入射光束の大部分は、2軸のアナモフィック非球面の作用によって出射面上に隙間無く拡大または縮小を行い、その透過レンズ104から出射させている。一方、全反射レンズ105および115においても、入射光束の大部分は、2軸のアナモフィック非球面の作用によって出射面上に隙間無く拡大または縮小を行い、その全反射レンズ105および115から出射させている。これにより、複数のレンズ間にまたがる光束を混合して光束をライン状にするための光伝播距離が不要となるので、レンズユニット103の高さを低くすることができる。
(変形例)
<光源>
上記実施の形態では、光源として、LED101を用いたが、光源として、EL(Electoro Luminescence)素子などのその他の固体発光素子を用いてもよいし、ハロゲンランプなどの既存光源を用いてもよい。
<配置>
上記実施の形態において、LED101は、平板の基板102に直線状に配置したが、自由に曲げられるフレキシブル基板にLED101を配置して、LED101を曲線状に配置してもよい。
上記実施の形態では、LED101、基板102およびレンズユニット103からなる光源ユニットを、XZ面内(水平面配置)に配置したが、微小レンズアレー116の配置方向を上下方向および左右方向とし、かつ、光源ユニットを任意の傾斜角で配置してもかまわない。
たとえば、光源ユニットを、図12に示すように、LED101の配列方向を傾斜させる、すなわち、XZ面内で傾斜させてもよい。図12は、変形例1における照明装置を模式的に示す断面図であり、例えば、実施の形態1における照明装置を傾斜して配置したときの図を示している。
図2に相当する図である。このとき、LED101からの光束を、透過レンズ104の入射面で十分に捕捉できる場合、LED101の配列方向の全反射レンズ105のサイズを小さくしてもよいし、あるいは、図12のように、一対の全反射レンズ105のうちの一方を省略して、透光レンズ104の片側一方のみに全反射レンズ105を設けてもよい。
また、図13に示すように、光源ユニットを、LED101の配列方向と垂直な面内で傾斜、すなわち、YZ面内で傾斜させてもよい。このとき、LED101からの光束を透過レンズ104の入射面で十分に捕捉できる場合、LED101の配列方向の全反射レンズ115のサイズを小さくしてもよい。また、光源ユニットをXZ面内およびYZ面内の両方で傾斜させてもよい。
図14A〜図14Dに、正面から照明装置130を見たときのレンズユニット103の配列状態を示す図である。レンズユニット103の配列状態は、図14Aに示すように、水平方向に配列する場合に制限するものではなく、図14Bに示すように、斜め方向に配列してもよいし、図14Cに示すように、曲線状に配列してもよいし、図14Dに示すように、上下方向に配列してもよい。
このとき、微小レンズアレー116の配列方向は、上下方向(すなわちY軸方向)、左右方向(すなわちX軸方向)とすることで、光束の広がりを上下方向と左右方向とに効率よく広げることができる。
<レンズ形状>
図3において、透過レンズ104と全反射レンズ115との出射面には段差を設けているが、図15に示すように、段差を小さく、あるいは、段差をなくしてもよい。
なお、LED101の配列間隔が大きい場合、図16に示すように全反射レンズ105と同じ構成の全反射レンズ120を透過レンズ104と全反射レンズ105との間に追加してもよい。つまり、実施の形態1における照明装置において、全反射レンズを増やしてもよい。
<表面処理>
また、コストアップになるが、全反射面106および107を除く部分において、レンズユニット103に反射防止膜を形成したり微細構造による反射防止構造を形成したりすることで、1面当たり、約4%、2面合計で8%程度の光強度を向上させることができる。
なお、全反射面106および107は、アルミニウム蒸着または銀蒸着などで反射面を構成してもよい。このとき、反射率は低下するが、汚れに対する影響を低減することができる。
<レンズ間接続>
レンズユニット103は、透過レンズ104と全反射レンズ105および115とを一体成形することで形成したが、透過レンズ104と全反射レンズ105と全反射レンズ115とを別部材で作製し、これらのレンズとほぼ同じ屈折率の透明接着剤でこれらのレンズを接合してもよい。
なお、透過レンズ104と全反射レンズ105とは、互いに光学的な界面なく一体としたが、これに限らない。例えば、組み立て性は悪くなるが、透過レンズ104と全反射レンズ105とを互いに独立させて、両者の間に光学的な界面を設けてもよい。
また、複数のレンズユニット103間は、互いに光学的な界面なく一体としたが、LED101とレンズユニット103とを1組として独立させて、各レンズユニット103間に、光学的な界面を設けてもよい。レンズユニット103毎に基板102を保持することで、基板102とレンズユニット103との熱膨張率差によるLED101とレンズユニット103との位置ずれをなくすことができるので、光学特性の劣化、すなわち、正面方向への光束の低化を防ぐことができる。
<レンズの配列>
上記実施の形態では、LED101およびレンズユニット103の配置を1列で図示したが、LED101およびレンズユニット103は、2列以上の複数列で配置してもよい。
また、LED101とレンズユニット103の数は、図示されている数に限定されるものではない。
また、微小レンズアレー116の断面を光学設計の見通しのよさから4つの円弧で形成したが、さらに分割して4つ以上の多数の円弧としてもよい。あるいは、微小レンズアレー116の断面として非球面断面を用いてもよい。
また、微小レンズアレー116の配列方向を上下方向および左右方向としたが、照明装置130から出射される光束の角度分布が許容できる範囲でZ軸回りに回転して形成してもかまわない。Z軸回りに回転させることで、光束の角度分布も回転することとなる。
また、保護カバー110は、レンズへの汚れが問題にならない場合は、省略してもよい。
また、透過レンズ104、全反射レンズ105および全反射レンズ115の出射面での光束幅を、隣接するレンズの出射面に形成された微小レンズ0.5から1周期分互いに重なるとしたが、1周期分以上、光束を重ねてもよい。ただし、この場合、隣接レンズへの光束については、正面方向への光束が少なくなるため、正面光束が低化してしまう。しがたって、光束の重なりは、0.5から1周期分程度であることが望ましい。
また、微小レンズアレー116を出射面上に形成したが、出射面、全反射面および入射面のいずれか1つに形成すればよい。ただし、LED101に近い側に微小レンズアレー116を形成すると、微小レンズアレー116の出射光の広がりが広くなるため、漏れ光が増え、照明装置130の光効率が若干低下する。このため、光効率の観点では、出射面側に微小レンズアレー116を形成することが望ましい。
また、透過レンズ104の出射面に形成された微小レンズアレー116と全反射レンズ115および105の出射面に形成された微小レンズアレー116とは、曲率および傾斜が異なっていてもよい。
また、微小レンズアレー116の断面形状は円弧を組み合わせた形状であったが、非球面形状を用いてもよい。また、微小レンズアレー116の断面形状は、XZ面およびYZ面の両方で、図6に示すような1周期を4つの円弧で形成した周期構造であったが、図17に示すように、直線部Tと非球面の円弧Cで形成される、より単純な形状を用いてもよい。つまり、微小レンズアレー116における微小レンズの断面形状は、円弧と円弧の間が直線で結ばれた形状であってもよい。
図17に示すように、微小レンズアレー116の断面形状としては、直線部Tと非球面の円弧Cを1周期Sとするような、より単純な形状を用いてもよい。この場合、直線部Tからは主に正面方向へ広がりの小さな光束が射出される。また、非球面の円弧Cからは、屈折により広がりの大きな光束が射出される。大まかには、円弧Cの平均的な曲率半径を小さくすることで、より広がりの大きな光束となる。また、非球面の係数や、直線部Tと円弧Cの幅の比を変えることで、射出される光束の広がりを微調整できる。
図17においても、非球面の円弧Cを調整することで、図6と同様に光束の広がりを調整することができる。しかし、図6の形状の方が円弧毎にある程度機能が分かれているため、光束の広がりを調整しやすい。図17では、円弧Cの形状の上側を凸としたが、凹としてもよい。また、微小レンズアレー116の断面形状として、XZ断面での形状を図6とし、YZ断面の形状を図17とする組み合わせの形状、あるいは、その逆の組み合わせの形状としてもよい。
また、微小レンズアレー116の断面形状は、調整項目が少なくなるが、正弦波形状であってもよい。
<保持部>
また、図2および図3に対応する図18Aおよび図18Bに示すように、上記実施の形態における照明装置130において、レンズユニット103内で光束のない部分にツバ121(保持部)を設けてもよい。XZ断面の図18Aに示すように、レンズユニット103の配列の両端にツバ121を設けることで、レンズユニット103と基板102との固定を行ってもよい。
全反射レンズ105の全反射面106の上部にはほとんど光束の無い領域が存在するので、その領域にツバ121などの突起形状を付加しても、照明装置としての光学特性は変わらない。また、同様に、YZ断面の図18Bに示すように、レンズユニット103にツバ122を設けることで、レンズユニット103と基板102との固定を行ってもよい。
全反射レンズ115の上部には光束がほとんどない部分があるので、その部分にツバなどの突起形状を付加しても、照明装置としての光学特性は変わらない。さらに、ツバ121およびツバ122の表面に、シボ形状またはプリズム形状を形成することで、基板102が直接外から見えないようにしてもよい。ツバ121およびツバ122の材質は、レンズユニットと同様に透明な材質でもよいし、不透明な材質でもよい。
<保護カバー110>
保護カバー110(図2、図3)は曲面で構成してもよい。保護カバー110を曲面形状とする場合、レンズの効果により出射光の方位および広がりが若干変化する場合があるが、変化する場合は、レンズユニット103に形成された微小レンズアレー116で出射光の方位および広がりを修正してもよい。
<透過レンズ104>
上記実施の形態では、レンズユニット103を透過レンズ104と全反射レンズ105と全反射レンズ115とで構成したが、レンズユニット103の高さを十分高くし、かつ、隣り合うLED101間の距離を広くして、LED101からの光束がすべて全反射レンズ105と全反射レンズ115とに入射するようにすれば、透過レンズ104を省いてもよい。
本発明に係る照明装置は、自動車等に搭載される車両用灯具等として用いることができるが、自動車用途だけではなく、照明用途として用いてもよい。例えば、本発明に係る照明装置は、住宅または各種施設のスポット照明等にも適用できる。
11 LEDアレイ
12 レンズ
13 高出力LED
14 導光板
15 プリズム
16 光
31、32、33、35、36 光束
51 第1円弧
51h 第1円弧から出射された光束
52 第2円弧
52h 第2円弧から出射された光束
53 第3円弧
53h 第3円弧から出射された光束
54 第4円弧
54h 第4円弧から出射された光束
W1、W3、W6 幅
101 LED
102 基板
103 レンズユニット
104 透過レンズ
105、115、120 全反射レンズ
106、107 全反射面
108 出射面
110 保護カバー
112 出射面
116 微小レンズアレー
121、122 ツバ
125 包絡線
130 照明装置
150 自動車
C 円弧
G 合成光束
S 周期
T 直線部

Claims (8)

  1. 複数の光源と、
    前記複数の光源のそれぞれに対応して配置される複数のレンズユニットと、を有する照明装置であって、
    前記複数のレンズユニットのそれぞれは、
    前記複数の光源のそれぞれに対応して配置される透過レンズと、
    前記複数の光源の配列方向と平行な方向で前記透過レンズに隣り合う位置に配置された第1全反射レンズと、
    前記複数の光源の配列方向と垂直な方向で前記透過レンズに隣り合う位置に配置された第2全反射レンズと、を有し、
    前記透過レンズの入射面および出射面は、2軸のアナモフィック非球面であり、
    前記第1全反射レンズと前記第2全反射レンズとの入射面、出射面および全反射面は、2軸のアナモフィック非球面であり、
    前記透過レンズの前記入射面および前記出射面の少なくとも1つには、微小レンズアレーが形成され、
    前記第1全反射レンズと前記第2全反射レンズとの前記出射面、前記全反射面および前記入射面の少なくとも1つには、微小レンズアレーが形成され、
    前記透過レンズ、前記第1全反射レンズおよび前記第2全反射レンズの前記微小レンズアレーは、微小レンズが周期的に配列された構造である照明装置。
  2. 前記複数の光源の各々と前記複数のレンズユニットとは、1対1で対応している
    請求項1記載の照明装置。
  3. 前記照明装置を正面から見たときに、前記第1全反射レンズと前記第2全反射レンズと前記透過レンズとで方形形状となっている
    請求項1又は2記載の照明装置。
  4. 前記照明装置を正面から見たときに、2つの前記第1全反射レンズと2つの前記第2全反射レンズとで前記透過レンズを囲んでおり、かつ、前記第1全反射レンズと前記第2全反射レンズと前記透過レンズとが全体で方形形状となっている
    請求項1又は2記載の照明装置。
  5. 前記照明装置は、当該照明装置の上下方向に対して左右方向の光の広がりが広い
    請求項1〜4のいずれか1項に記載の照明装置。
  6. 前記微小レンズは、断面が4つの円弧で形成され、
    前記4つの円弧における隣り合う2つの円弧の間は、接線の傾きが一致するように連続している
    請求項1〜5のいずれか1項に記載の照明装置。
  7. 前記微小レンズの断面形状は、円弧と円弧の間が直線で結ばれた形状である
    請求項1〜6のいずれか1項に記載の照明装置。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の照明装置を搭載した自動車であって、
    前記自動車の正面から見たときに、前記照明装置の複数の前記レンズユニットが隙間無く配置されている
    照明装置を搭載した自動車。
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