JP6632220B2

JP6632220B2 - 灯具ユニット

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Publication number: JP6632220B2
Application number: JP2015103763A
Authority: JP
Inventors: 隆之八木; 美紗子中澤
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2020-01-22
Anticipated expiration: 2035-05-21
Also published as: JP2016219279A

Description

本発明は、灯具ユニットに関する。

従来、光源から出射した光を多数の反射素子を有する反射性方向変換装置により反射し、レンズを介して車両前方を照射する車両用照明装置が考案されている（特許文献１参照）。この車両用照明装置は、多数の反射素子のそれぞれの反射角度を制御することで、ロービームとハイビームとの間での切り換えが可能になる。

特開平９−１０４２８８号公報

ところで、前述の車両用照明装置においては、反射性方向変換装置の反射面において局所的にむらがある場合、そのむらがレンズを介して前方に投影されることで配光パターンにむらが生じる可能性がある。

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、空間光変調器に到達するまでの種々の要素に起因する光むらを抑制する新たな技術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灯具ユニットは、入射した光の変調を行う空間光変調器と、光源と空間光変調器との間の光路上に設けられ、光源から出射した光が空間光変調器に向かうように構成された第１光学系と、を備える。第１光学系は、入射した光の少なくとも一部を拡散または偏向する光学要素を有する。

この態様によると、第１光学系が有する光学要素により、その光学要素に入射した光の少なくとも一部を拡散または偏向することで、空間光変調器に到達する光のむらを抑制できる。

空間光変調器によって変調された光によって配光パターンを形成する第２光学系を更に備えてもよい。これにより、光むらが抑制された状態で変調された光によって配光パターンが形成されるため、光むらが抑制された配光パターンを形成できる。

光学要素は、光源から出射した光が空間光変調器に向かうように反射する反射部材であり、反射部材は、反射する光の少なくとも一部を拡散または偏向する凹凸構造が反射面の少なくとも一部に設けられていてもよい。これにより、空間光変調器に到達する光のむらを比較的簡易な構造で抑制することができる。

光学要素は、光源から出射した光が空間光変調器に向かうように透過する透過部材であり、透過部材は、出射する光の少なくとも一部を拡散または偏向する凹凸構造が入射面または出射面に設けられていてもよい。これにより、空間光変調器に到達する光のむらを比較的簡易な構造で抑制することができる。

凹凸構造は、交差する複数の方向に凸部が配列していてもよい。これにより、複数の方向における光むらを抑制できる。

光源を更に備えてもよい。光源は、半導体発光素子と、半導体発光素子から出射した光を集光する集光部材と、を有してもよい。

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、部品、制御方法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、光むらを抑制できる。

参考例に係る灯具ユニットの概略構成を示す斜視図である。灯具ユニットにより形成される配光パターンＰ１の一例（シミュレーション）を示す図である。第１の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構成を示す斜視図である。第１の実施の形態に係る光学要素の反射面を模式的に示す図である。図４に示すＡ領域を拡大した模式図である。本実施の形態に係る灯具ユニットにより形成される配光パターンＰ２の一例（シミュレーション）を示す図である。本実施の形態に係る灯具ユニットにより形成される配光パターンＰ３の一例（シミュレーション）を示す図である。第１の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構成を示す斜視図である。第３の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構成を示す斜視図である。図１０（ａ）は、反射面／屈折面Ｓが第１の位置にある場合の入射光ａと反射光ｂ／屈折光ｃとの関係を示す模式図、図１０（ｂ）は、反射面／屈折面Ｓが第１の位置Ｃ１から所定量傾けた第２の位置Ｃ２にある場合の入射光ａと反射光ｂ／屈折光ｃとの関係を示す模式図である。反射面／屈折面Ｓを傾けた角度と、反射光ｂ／屈折光ｃの変位Δを示す図である。図１２（ａ）は、第２の実施の形態に係る灯具ユニットの側面図、図１２（ｂ）は、第３の実施の形態に係る灯具ユニットの側面図、図１２（ｃ）は、第１の実施の形態に係る灯具ユニットの側面図である。図１３（ａ）は、光源の分解斜視図、図１３（ｂ）は、光源の要部断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、参考例に係る灯具ユニットの概略構成を示す斜視図である。図１に示す灯具ユニット１００は、光源１０と、光学要素であるリフレクタ１２と、反射型の空間光変調器１４と、投影光学系としての投影レンズ１６と、を備える。光源１０は、ＬＥＤやＬＤ、ＥＬ素子等の半導体発光素子１８と、半導体発光素子１８から出射した光を集光する集光部材２０と、を有している。集光部材２０は、例えば、複合放物面型集光器（Compound Parabolic Concentrator）が用いられる。

図１３（ａ）は、光源１０の分解斜視図、図１３（ｂ）は、光源１０の要部断面図である。本実施の形態に係る光源１０は、基板１１上に４つの半導体発光素子１８（青色ＬＥＤ）が一列に並置されている。また、半導体発光素子１８の上面には黄色蛍光体１９が搭載されている。これにより、光源１０は白色光を実現できる。

リフレクタ１２は、光源１０と空間光変調器１４との間の光路上に設けられ、光源１０から出射した光が空間光変調器１４に向かうように構成された第１光学系１５の一つの光学要素である。参考例に係るリフレクタ１２は、表面が平坦な曲面で構成されている。

前述のように構成された灯具ユニット１００は、光源１０から出射した光をリフレクタ１２で反射し、反射された光の少なくとも一部を空間光変調器１４で再度反射し、反射された光が投影レンズ１６を通過することで、前方に配光パターン投影像が投影される。

図２は、灯具ユニット１００により形成される配光パターンＰ１の一例（シミュレーション）を示す図である。図２に示すように、灯具ユニット１００により形成される配光パターンＰ１では、水平方向と異なる方向に形成された複数の筋（光むら）が見られる。これらの筋は、主として光源１０に起因する。具体的には、集光部材を成型で製造する際に、集光部材２０の複数の内面の境界である稜線２０ａや、半導体発光素子１８が搭載されている底面の角部にあたる頂点２０ｂにＲ部が存在してしまう。Ｒ部は、制御反射面とはならず、光を拡散させてしまうため、配光パターンＰ１に筋（矢印で指す部分）として現れる。

そこで、以下の各実施の形態に係る灯具ユニットにおいては、前述の筋（光むら）を抑制する構成について説明する。

（第１の実施の形態）
図３は、第１の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構成を示す斜視図である。第１の実施の形態に係る灯具ユニット１１０は、参考例に係る灯具ユニット１００と比較して第１光学系に含まれる光学要素（リフレクタ１２）が異なる点が主な相違点である。以下では、参考例に係る灯具ユニット１００と同様の構成については、同じ符号を付して説明を適宜省略する。灯具ユニット１１０は、光源１０と、光学要素２２と、空間光変調器１４と、投影レンズ１６と、を備える。

光学要素２２は、光源１０から出射した光が空間光変調器１４に向かうように反射面が構成された反射部材である。図４は、第１の実施の形態に係る光学要素２２の反射面を模式的に示す図である。図５は、図４に示すＡ領域を拡大した模式図である。

光学要素２２は、反射面である表面２２ａの少なくとも一部に、入射した光の少なくとも一部を拡散または偏向するように構成された波状の凹凸構造２４が形成されている。本実施の形態に係る凹凸構造２４の高さＨは５０μｍ、隣接する凸部と凸部（または凹部と凹部）の間隔Ｇは７ｍｍである。

なお、高さＨは、１０〜１００μｍの範囲で選択してもよく、より好ましくは３０〜７０μｍの範囲で選択してもよい。間隔Ｇは、３〜１５ｍｍの範囲で選択してもよく、より好ましくは５〜１０ｍｍの範囲で選択してもよい。凹凸構造２４は、波状な場合だけでなく、曲面を有する突起（半球状突起）や、曲面を有するくぼみ（ディンプル）であってもよい。また、間隔Ｇは常に一定でなくてもよく、局手的に一定な場合や、ランダムな間隔で配置されていてもよい。

図６は、本実施の形態に係る灯具ユニット１１０により形成される配光パターンＰ２の一例（シミュレーション）を示す図である。図６に示す配光パターンＰ２は、光学要素２２において前述の波状の凹凸構造が一方向に周期的に形成されている場合のものである。図２に示す配光パターンＰ１と比較して、光むらによる筋が幾つか目立たなくなっていることがわかる。一方、図６に示す配光パターンＰ２においても、光むらによる筋が幾つか残っている。

図７は、本実施の形態に係る灯具ユニット１１０により形成される配光パターンＰ３の一例（シミュレーション）を示す図である。図７に示す配光パターンＰ３は、光学要素２２において前述の波状の凹凸構造が複数方向（二方向）に周期的に形成されている場合のものである。図２に示す配光パターンＰ１と比較して、光むらによる全ての筋が目立たなくなっていることがわかる。

このように、本実施の形態に係る灯具ユニット１１０は、第１光学系が有する光学要素２２の一部に凹凸構造を形成することにより、その光学要素２２に入射した光の少なくとも一部を拡散または偏向することで、空間光変調器１４に到達する光のむらを比較的簡易な構造で抑制できる。また、灯具ユニット１１０は、空間光変調器１４によって変調された光によって配光パターンを形成する第２光学系として投影レンズ１６を更に備えている。これにより、光むらが抑制された状態で変調された光によって配光パターンが形成されるため、光むらが抑制された配光パターンを形成できる。また、凹凸構造２４において、交差する複数の方向に凸部が配列していることで、複数の方向における光むらを抑制できる。

ここで、光の拡散とは、ある程度無秩序に（制御されずに）光が拡がるような状態を含み、光の偏向とは、ある程度制御された方向へ光の向きを変えるような状態を含む。また、空間光変調器とは、例えば、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）等のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、透過型や反射型の液晶デバイス、光学デバイス、電気光学デバイス、磁気光学デバイス、等の変調器を含む。

（第２の実施の形態）
図８は、第１の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構成を示す斜視図である。第２の実施の形態に係る灯具ユニット１２０は、参考例に係る灯具ユニット１００と比較して第１光学系に含まれる光学要素２６や空間光変調器２８が異なる点が主な相違点である。以下では、参考例や第１の実施の形態に係る灯具ユニットと同様の構成については、同じ符号を付して説明を適宜省略する。

灯具ユニット１２０は、光源１０と、透過型の光学要素２６と、透過型の空間光変調器２８と、投影レンズ１６と、を備える。透過型の空間光変調器２８としては、例えば液晶デバイスが用いられる。光学要素２６は、光源１０から出射した光が空間光変調器２８に向かうように透過する板状の透過部材（ガラスやプラスチック）であり、出射面である表面２６ａの少なくとも一部に、入射した光の少なくとも一部を拡散または偏向するように構成された波状の凹凸構造３０が形成されている。なお、凹凸構造３０を光学要素２６の入射面に設けてもよい。これにより、空間光変調器２８に到達する光のむらを比較的簡易な構造で抑制することができる。

（第３の実施の形態）
図９は、第３の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構成を示す斜視図である。第３の実施の形態に係る灯具ユニット１３０は、第２の実施の形態に係る灯具ユニット１２０と比較して反射型の空間光変調器１４が異なる点が主な相違点である。以下では、参考例や各実施の形態に係る灯具ユニットと同様の構成については、同じ符号を付して説明を適宜省略する。

灯具ユニット１３０は、光源１０と、光学要素２６と、反射型の空間光変調器１４と、投影レンズ１６と、を備える。光学要素２６は、光源１０から出射した光が空間光変調器１４に向かうように透過する板状の透過部材であり、出射面である表面２６ａの少なくとも一部に、入射した光の少なくとも一部を拡散または偏向するように構成された波状の凹凸構造３０が形成されている。なお、凹凸構造３０を光学要素２６の入射面に設けてもよい。これにより、空間光変調器２８に到達する光のむらを比較的簡易な構造で抑制することができる。

（反射型の空間光変調器と透過型の空間光変調器との比較）
図１０（ａ）は、反射面／屈折面Ｓが第１の位置にある場合の入射光ａと反射光ｂ／屈折光ｃとの関係を示す模式図、図１０（ｂ）は、反射面／屈折面Ｓが第１の位置Ｃ１から所定量傾けた第２の位置Ｃ２にある場合の入射光ａと反射光ｂ／屈折光ｃとの関係を示す模式図である。図１１は、反射面／屈折面Ｓを傾けた角度と、反射光ｂ／屈折光ｃの変位Δを示す図である。

図１１におけるラインＬ１は、反射の場合を示し、ラインＬ２は入射角ａ＝０°の場合を示し、ラインＬ３は入射角ａ＝３０°の場合を示し、ラインＬ４は入射角ａ＝６０°の場合を示している。なお、屈折率は１．５と仮定している。図１０（ｂ）、図１１に示すように、反射面の方が屈折面より光線の偏角Δが大きい。以下、この知見を利用して、上述の第１の実施の形態〜第３の実施の形態に係る各灯具ユニットのレイアウトの得失について説明する。

図１２（ａ）は、第２の実施の形態に係る灯具ユニット１２０の側面図、図１２（ｂ）は、第３の実施の形態に係る灯具ユニット１３０の側面図、図１２（ｃ）は、第１の実施の形態に係る灯具ユニット１１０の側面図である。なお、各図においては、光源１０にヒートシンク３２が取り付けられた状態が示されている。

図１２（ａ）に示す灯具ユニット１２０は、全長は長いものの高さは抑えられている。また、ヒートシンク３２が光源１０の後方にあるため、光源１０の熱が投影レンズ１６に伝わりにくく、耐熱性の観点での投影レンズ１６の材料選択の余地が広がる。

図１２（ｂ）に示す灯具ユニット１３０は、反射型の空間光変調器１４を用いることで、全長を短縮できる。図１２（ｃ）に示す灯具ユニット１１０は、反射型の光学要素２２と反射型の空間光変調器１４を用いることで、全長を短縮できる。また、ヒートシンク３２が光源１０の後方にあるため、光源１０の熱が投影レンズ１６に伝わりにくく、耐熱性の観点での投影レンズ１６の材料選択の余地が広がる。

上述の各灯具ユニットは、光のむらを空間光変調器に入射する前に改善しているため、投影レンズ等の第２光学系で光むらを抑制する場合と比較して、レンズの結像性を高めることができ、鮮明で精度の高い配光パターンを形成できる。また、空間光変調器の駆動制御を簡素化できる。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各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各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。

１０光源、１４空間光変調器、１５第１光学系、１６投影レンズ、１８半導体発光素子、２０集光部材、２２光学要素、２２ａ表面、２４凹凸構造、２６光学要素、２６ａ表面、２８空間光変調器、３０凹凸構造、３２ヒートシンク、１００，１１０，１２０，１３０灯具ユニット。

Claims

入射した光の変調を行う空間光変調器と、
光源と前記空間光変調器との間の光路上に設けられ、光源から出射した光が前記空間光変調器に向かうように構成された第１光学系と、を備え、
前記第１光学系は、入射した光の少なくとも一部を拡散または偏向する光学要素を有し、
前記光学要素は、光源から出射した光が前記空間光変調器に向かうように反射する反射部材であり、
前記反射部材は、反射する光の少なくとも一部を拡散または偏向する凹凸構造が反射面の少なくとも一部に設けられており、
前記凹凸構造は、交差する複数の方向に凸部が配列しており、凸部の高さが１０〜１００μｍの範囲であり、隣接する凸部と凸部の間隔が３〜１５ｍｍの範囲であることを特徴とする灯具ユニット。
前記空間光変調器によって変調された光によって配光パターンを形成する第２光学系を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の灯具ユニット。
前記空間光変調器は、多数の反射素子を有する反射型の変調器であることを特徴とする請求項１または２に記載の灯具ユニット。
光源を更に備え、
前記光源は、
半導体発光素子と、
半導体発光素子から出射した光を集光する集光部材と、
を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の灯具ユニット。