JP6768004B2 - マルチフォーカスモードを伴う照明装置 - Google Patents

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Description

本発明は、照明装置に関する。特定的には、少なくとも、光源のアレイ、および、光源によって放射された光を照明装置の順方向（forward direction）において投射するように構成された投影光学系を含む、車両のためのヘッドランプに関する。
自動車のフロント照明（front-lighting）のための将来のヘッドライトシステムは、インテリジェントなダイナミック機能性を含むことになり、そのうちのいくつかは、コーナリングライト、適応ハイビーム、およびピクセル化ライト、または、適応フロント照明システム（AFS）として既に市場で知られている。これらの照明システムは、一つまたはそれ以上のマトリクスLEDアレイ（LED：発光ダイオード）によって可能になる。LEDアレイの光点源（light point sources）を個々のエレメントへと光学的に分離することが、上述のアプリケーションのための明確（well-defined）で識別可能なパターンを作成するために必要とされる。個別のアドレッシングに次いで、必要とされるビームパターンを生成するために、マトリクスアレイの個々のエレメントの組み合わせがなされてもよい。
現在では、視野のために道路を照明するという主な照明機能に加えて、道路上のより近い距離においてシグネチャ（signature）を投影することもできる自動車両（motor vehicle）のためのヘッドランプを提供する必要性が存在している。そうしたシグネチャは、例えば、歩行者、バイカー（bikers）、または他の自動車ドライバーのような他の人に視覚的情報を提供することができる。例えば、自動車のタイプ／ロゴ、安全警告、等に関する情報である。
図１は、LEDマトリクスアレイを含むヘッドランプを用いて光を投射するときの状況を典型的に示している。LEDマトリクスアレイ1は、オブジェクト平面（object plane）と呼ばれる平面において取り付けられている。図１は、この例において、そうしたLEDマトリクスアレイに係る２つのLED2だけを示している。投影レンズ（projection lens）3は、このオブジェクト平面を遠く（far-field）において画像平面（image plane）4に結像させる（image）ために使用される。例えば、25または50メートルの距離である（図１Ｂを参照のこと）。結果として、例えば、5または10メートル（近くの画像平面5）の近い距離において、画像は、鮮明に現れない。この近くの画像平面5における鮮明な像は、図１Ａにおいて示されるように、投影レンズ3の別の位置を必要とするだろう。このことは、しかしながら、遠くの画像平面4における鮮明な投影を妨げるだろう。警告標識のような安全機能（safety features）またはアイコンのようなブランド画像を、主ビームに係る遠くの投射に加えて、近くの距離において投影するために、典型的には、光源および投影レンズの別個の光学系が必要とされるだろう。しかしながら、こうした余分なシステムを車の前部（front-of-car）に収容することは、しばしば、可能ではなく、また、好ましくない。
独国特許出願公開第10 2012 025 354 A1号は、そうした２つの機能性を含むヘッドランプを説明している。イルミネーションのための一般的な光投射に加えて、光点または影点（light or shadow spots）が、道路上のより近い距離に投影される。これらのスポットの距離は、車の速度に応じて変化させることができる。光点または影点を生成するために、ヘッドランプのグローフィラメント光源の前に追加的なレンズまたは光シェイド構成（light shade arrangement）を使用することが提案されている。代替的に、本文献は、光点を生成するためにレーザのような追加的な光源を含むことを提案している。
本発明の目的は、追加的な投影システムを必要とすることなく、イルミネーション（illumination）の主な照明機能に加えて、照明装置の前方の１つ又は複数の距離においてシグネチャまたは照明パターンの鮮明な投影を可能にする照明装置を提供することである。
本目的は、請求項１に従った照明装置によって達成される。照明装置の有利な実施例は、従属請求項の技術的事項であり、または、明細書の後続の部分および好ましい実施例において説明される。
提案される照明装置は、車両、特には自動車両、のためのヘッドランプとして好ましくはデザインされている。照明装置は、第１光源および第２光源で構成される、光源のアレイ、および、光源によって放射された光を照明装置の順方向において投射するように構成された投影光学系、を少なくとも含んでいる。提案される装置においては、第１光源の前には少なくとも一つのシフトエレメントが配置され、シフトエレメントは、第２光源の放射位置に関して投影光学系に向かって、または、離れてシフトされた、第１光源の光に係る現実の放射位置または仮想の放射位置を生成している。
第１光源と投影光学系との間に配置された提案されるシフトエレメントを用いて、光源、特にはLEDマトリクスアレイの個々のLEDまたはLEDグループ、の放射位置が、様々な異なるオブジェクト平面の上にリレーされる（relayed）。投影光学系は、次いで、様々な対応する画像平面において画像を創成する。光源のアレイに係る個々の光源は、従って、照明装置から個々の距離において焦点が合っている。例えば、自動車からの異なる距離における自動車のヘッドランプの場合である。従って、照明の主な機能を果たすことが可能である。例えば、多数の光源を遠くにフォーカスすること（同一のオブジェクト平面に対してリレーされている）、そして、同時に、残りの光源を用いて、１つ又は複数の異なる画像平面、例えば、光源に対してより近い画像平面、において照明パターンまたはシグネチャを生成すること、によるものである。
投影光学系は、１つ又は複数のレンズ、または、適切な反射光学系で形成されてよい。光源のアレイは、好ましくは２次元アレイであるが、１次元アレイ、すなわち、直線に配置された光源、であってもよい。
提案されるソリューションは、追加的な光源を用いたあらゆる追加の光学デバイスを必要としない。投影光学系までの距離に関するLEDの異なる取り付け位置によって変更されたフォーカスが具現化され得るソリューションとは逆に、光源またはLEDを同一の平面内、例えば、一般的なPCB基板上（PCB：プリント回路基板）に取り付けることができる。このことは、生産性および熱管理の観点から有利である。一つの好ましい実施例においては、投影光学系として、単一の投影レンズだけが使用される。提案される照明装置は、従って、追加的なシフトエレメントだけを必要とするが、あらゆる追加的な光学投影光学系を必要としない。
投射されるパターンまたはシグネチャの種類に応じて、アレイに係る複数の光源または光源のグループは、一つの共通のシフトエレメントを共有してよく、または、対応する光源が個別のシフトエレメントを含んでよい。複数のシフエレメントを使用して、異なる光源または光源のグループの光を、照明装置の前方の異なる距離における画像平面に対して投影することが可能である。
投影光学系に向かってシフトされた第１光源の光に係る現実の放射位置を生成しているシフトエレメントは、光導波路（optical waveguide）で形成されてよい。この導波管の出射面は、次いで、元の光源よりも投影光学系に対してより近い新しい点状の光源（point-like light source）を表している。光導波路または光ファイバの代わりに、中空反射性マイクロチューブ、ライトガイド光学ロッド、マイクロファイバプレート、または光導波路マニホールドが、例えば、シフトエレメントとして、使用されてよい。それにもかかわらず、他の適切な手段も、また、シフトを生成するために使用されてよい。
投影光学系から離れてシフトされた第１光源の光に係る仮想の放射位置を生成しているシフトエレメントについて一つの例は、収束レンズである。そうした収束レンズを使用することで、投影光学系から見た光の放射位置が投影光学系から離れて移動し、結果として、投影光学系に対してより近い画像平面を生じている。
提案される照明装置は、例えば、自動車両のヘッドランプのいわゆるブランドイメージングに使用されもよい。提案されるマルチフォーカス光学系は、アイコン、サイン、等のようなブランド特有の特徴を強調するために使用され得る。車両から異なる距離において異なるパターンが可視化され得るからである。このことは、例えば、車両から1メートル、10メートル、および100メートルのところで、異なるオブジェクトを観察者のために視覚化することを可能にする。また、ヘッドランプ／車両の前に安全情報も投影され得る。マルチフォーカス光学系を用いて、様々な画像における動的な情報も、また、視覚化され得る。例えば、前方の様々な距離において道路上に投影された鮮明な安全ストライプ、道路上に投影された方向指示器、等である。
提案される照明装置は、添付図面に関連して例として以下に説明される
図１Ａは、従来技術に従った、投影レンズを備えたヘッドランプのLEDマトリクスである。 図１Ｂは、従来技術に従った、投影レンズを備えたヘッドランプのLEDマトリクスである。 図２は、提案される照明装置のマルチフォーカス（multiple-focus）光学系の動作原理を示す図である。 図３は、提案される照明装置によって可能にされるブランドイメージング機能の概略図である。 図４は、提案される照明装置を用いて投影された安全機能の概略図である。 図５Ａは、本発明に従った、シフトエレメント（shifting element）の４つの例である。 図５Ｂは、本発明に従った、シフトエレメント（shifting element）の４つの例である。 図５Ｃは、本発明に従った、シフトエレメント（shifting element）の４つの例である。 図５Ｄは、本発明に従った、シフトエレメント（shifting element）の４つの例である。 図６は、シフトエレメントのさらなる例の概略図である。 図７は、マスクおよび対応する投影されたパターンの一つの例である。
追加的なシグネチャまたはパターンの投影のための従来技術のヘッドランプの問題は、図１Ａおよび１Ｂに関連して本説明の導入部分において既に説明されてきた。図２は、主ビームの画像平面とは異なる画像平面に対するそうした追加的なシグネチャまたはパターンの投影を可能にする、提案される照明装置の光学系の原理を示している。図の左側は、LEDマトリクス1を概略的に示しており、説明目的のために、この例においては２つのLED2だけを備えている。LED2は、照明装置における同一平面上に取り付けられている。下側LED2は、シフトエレメント6を備えており、本特許申請においてはリレーエレメント（relay element）としても示されるものであり、このLEDの放射位置を投影レンズ3に対してより近い位置へシフトさせる、上側LED2は、そうしたシフトエレメントを含まない。２つのLED2の放射位置は、従って、異なるオブジェクト平面に存在し、次いで、投影レンズ3によって、異なる画像平面の上に鮮明にフォーカスされる。この例においては、近くの画像平面5および遠くの画像平面4である。オブジェクト距離vとv'、画像距離bとb'、および、レンズ3の焦点距離fを用いて、画像化の状況も、また、右側に示されている。
図５は、投影光学系に向かって光源の放射位置をシフトまたはリレーする異なるシフトエレメント6のための例を示している。図５Ａは、シフトエレメントを形成するために中空反射性マイクロチューブ（hollow reflective micro-tubes）7の使用を示している。この例および図５Ｂから５Ｄの例においても、LEDマトリクス1に係る３つのLED2が示されており、それぞれが、放射位置を光学投影システムから異なる距離にシフトさせる異なるシフトエレメント6を含んでいる。従って、３つの異なるシフトエレメント6を用いて、光は、共通の光学投影システムを使用して、３つの異なる画像平面、すなわち、照明装置の前の３つの異なる距離における画像平面、に対して投射され得る。図５Ａの中空反射性マイクロチューブ7を用いて、LED2から放射された光は、中空反射性マイクロチューブ7の内側の鏡面ミラー壁（specular mirror walls）から反射し、そして、チューブの端において出現する。
図５Ｂは、シフトエレメント6としてガラスまたは透明ポリマーから作られたライトガイド光学ロッド（light guiding optical rods）8を使用している、さらなる例を示す。こうしたライトガイド光学ロッド8を用いて、光は、ロッドの内側で全内部反射によって反射する。そうしたロッドは、図５Ａの中空反射性マイクロチューブよりも損失が少ないが、エアギャップまたは低屈折率クラッド（low index cladding）が必要とされる。
図５Ｃは、シフトエレメント6のさらなる例を示す。この例において、シフトエレメントは、多数の細い光ファイバからなるマイクロファイバプレート9で形成されている。そうしたマイクロファイバプレート9は、画像コンジット（image conduit）または光ファイバフェイスプレート（optical fiber face plate）としても知られている。
シフトエレメント6を提供するための別の可能性は、図５Ｄにおいて概略的に示されるような、曲がった光ファイバまたは光導波路（light guide）からなる光導波路マニホールド（light guide manifold）10である。そうした光学マニホールドは、LED2をLEDマトリクスアレイ1において互いにある距離だけ離すことができるという追加的な利点を有している。放射位置の距離は、次いで、必要に応じて光導波路マニホールドと適合され得る。このことは、熱および接続性の観点から有益である。
上記の全ての例は、LEDマトリクスアレイモジュールのx、yフットプリントの範囲内で実現され得るものであり、小型ソリューション、LEDモジュールの費用対効果の高い実現化、車の前部における組込みのための許容可能なフォームファクタに対して貢献している。
LED2の放射位置をシフトさせるためのさらなる例が図６に示されている。この事例においては、図に示すように、追加的な小さな正レンズ（positive lens）11が対応するLED2から所定の距離に置かれている。レンズ11はフォーカスが弱い（weak focus）が、投影レンズ3と組み合わされて、投影レンズ3に対してより近くに画像を投影することができる。追加的な正レンズ11は、投影レンズ3からさらに遠くにシフトされた対応するLED2の仮想放射位置を生成する。図６は、また、LEDマトリクス1の異なるLED2によって放射された光がフォーカスされる、別個の画像平面、近くの画像平面5および遠くの画像平面4、を示している。
視界（vision）を改善する一般的な機能に加えてそうした照明装置を用いて、例えば、自動車両のヘッドランプの場合にはハイビームまたはロービーム照明によって、照明装置により近い画像平面に対してパターンまたはシグネチャが投影され得る。図３は、車12のヘッドランプが遠視野ビーム（far-filed beam）14を生成し、そして、同時に、投射ビーム15を用いて車12の前のガレージドア13の上に鮮明な画像を生成する、といった状況を概略的に示している。シフトエレメントの特性及び配置に応じて、アイコン又はサインのようなパターンが、観察者によって直接的に認識されるように、又は、道路16の上に投影されるように、車12から異なる距離において投影され得る。
図４は、安全機能の投影に係る概略図を示しており、この例においては、道路16の上に投影されたストライプ17の形式での動的な距離表示である。この図は、また、車の２つのヘッドランプ12それぞれによって生成される遠視野14および投射ビーム15も示している。
ヘッドランプの前の異なる距離におけるこうしたパターンまたはシグネチャの投影は、異なる光源を備えることによって実現される。例えば、異なるシフトエレメント、すなわち、放射位置を投影光学系から異なる距離へシフトさせるシフトエレメント、を伴うLEDとしてである。異なる画像平面の間での切り替えは、必要であれば、対応するLEDまたはLEDのグループを個別にアドレス指定する（addressing）ことによって実現され得る。そうしたLEDのアドレス指定に加えて、マスキングエレメント（masking elements）が、対応するLEDのビーム経路において配置され得る。図７は、左側において、そうしたマスキングエレメント18の一つの例を示し、そして、そうしたマスキングエレメントを備えていない４つのLEDの投影19（下の列）と比較して、そうしたマスキングエレメント18を備えている４つのLEDの対応する投影19（上の列）を示している。そうしたマスキングエレメントまたは他の光変更要素（light modifying element）を用いて、LEDによって生成されたパターンが、追加的に変更され得る。
提案される照明装置の光学系は、自動車両のヘッドランプとして使用される場合に、自動車照明に対するカットオフ要件（cut-off requirement）を満たすべきである。水平線より下の投影については、光学系の中にデザインされているので問題は存在しない。しかしながら、水平線より上に投影することは、規制を遵守するように注意深くデザインすべきである。
ヘッドランプの前で要求される画像距離を達成するためのシフトエレメントのシフト距離は、単純なレンズの方程式を用いて概ね計算され得る。一つの例として、5m、10m、および20mにおける画像距離bについて、焦点距離f=50mmのレンズに対するオブジェクト距離vの値は、それぞれ50.51mm、50.25mm、および50.13mmでなければならない。従って、３つの位置間における260ミクロンと120ミクロンの差異だけがシフトエレメントを用いて実現される必要がある。これらは、LEDモジュールの幾何学的寸法の範囲内で現実的な値である。全ての現実的な投影レンズは像面湾曲（field curvature）に苦しんでいるので、焦点面は平坦ではなく、しかし、湾曲しており、そして、単純なレンズの方程式が詳細には保持されない。この現象は、しかしながら、リレーまたはシフティングシステムのデザインにおいて容易に考慮することができる。さらに、LEDが取り付けられる面も、また、湾曲していてよい。また、そうした湾曲も考慮され得る。
本発明が、図面および前述の説明において詳細に図示され、かつ、説明されてきたが、そうした図示および説明は、説明的または例示的なものであり、そして、限定的なものではないと考えられるべきである。本発明は、開示された実施例に限定されない。開示された実施例に対する他の変形が、図面、明細書、および添付の請求項の学習から、請求された発明の実施において当業者によって、理解され、かつ、達成され得る。例えば、光源のアレイにおける光源の数は、図に示される２から４個のLEDに限定されない。典型的には、実質的により大きな数量の光源が、そうしたアレイにおいて配置される。また、照明装置は、また、図に示されていないが、電気的接続部およびハウジングも備えていることも明らかである。車両のためのヘッドランプとしての使用の他に、照明装置は、また、一般照明、劇場照明、または、様々な投射距離における様々な機能を伴うスポットライトが必要とされる他のアプリケーションに対しても使用され得る。請求項における、単語「含む（"comprising"）」は、他の要素またはステップを排除するものではなく、不定冠詞「一つの（"a"または"an"）」は、複数を排除するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないことを示すものではない。大部分の請求項は、相互に、そして、他の全ての請求項の特徴と、自由に組み合わされてよい。請求項におけるいかなる参照符号も、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
１ マトリクスLEDアレイ
２ LED
３ 投影レンズ
４ 遠くの画像平面
５ 近くの画像平面
６ シフトエレメント
７ 中空反射性マイクロチューブ
８ ライトガイド光学ロッド
９ マイクロファイバプレート
１０ 光学マニホールド
１１ 追加レンズ
１２ 自動車
１３ ガレージドア
１４ 遠視野ビーム
１５ 投射ビーム
１６ 道路
１７ 投影されたストライプ
１８ マスキングエレメント
１９ 投影された照明パターン

Claims (13)

  1. 照明装置であって、
    同一の平面または曲面において取り付けられている複数の第１光源および第２光源で構成される、光源のアレイと、
    光源によって放射された光を前記照明装置の順方向において投射するように構成された投影光学系と、
    を少なくとも含み、
    前記第１光源の前には少なくとも一つのシフトエレメントが配置され、前記シフトエレメントは、前記第２光源の放射位置に関して前記投影光学系に向かって、または、離れてシフトされた、前記第１光源の光に係る現実の放射位置または仮想の放射位置を生成しており、かつ、
    前記第２光源は、視野のために道路を照明するという照明機能を提供するためのものであり、かつ、前記第１光源は、前記第２光源によって提供される前記照明機能とは異なる照明機能を提供するためのものである、
    照明装置。
  2. 前記第１光源は、照明機能として、前記照明装置の前方の１つ又は複数の距離において、シグネチャまたは照明パターンの鮮明な投影を提供するためのものである、
    請求項１に記載の照明装置。
  3. 前記第１光源および前記第２光源は、グループとして、または、個別にアクセス可能である、
    請求項１または２に記載の照明装置。
  4. 前記第１光源および前記第２光源は、共通のプリント回路基板上に取り付けられている、
    請求項１または２に記載の照明装置。
  5. 前記光源は、発光ダイオードである、
    請求項１または２に記載の照明装置。
  6. 前記投影光学系に向かってシフトされた前記第１光源の光に係る現実の放射位置を生成している前記シフトエレメントは、光導波路である、
    請求項１または２に記載の照明装置。
  7. 前記シフトエレメントは、中空反射性マイクロチューブ、ライトガイド光学ロッド、マイクロファイバプレート、および光導波路マニホールドのうち一つである、
    請求項６に記載の照明装置。
  8. 前記投影光学系から離れてシフトされた前記第１光源の光に係る仮想の放射位置を生成している前記シフトエレメントは、収束レンズである、
    請求項１または２に記載の照明装置。
  9. 前記投影光学系は、単一のレンズで形成されている、
    請求項１または２に記載の照明装置。
  10. 複数の前記第１光源のうち少なくとも数個は、別個のシフトエレメントをそれぞれ含む、
    請求項１または２に記載の照明装置。
  11. 複数の前記第１光源のうち１つ又は複数は、共通のシフトエレメントを含む、
    請求項１または２に記載の照明装置。
  12. 複数のシフトエレメントは、異なる量だけ、前記投影光学系に向かって、または、離れてシフトされた、前記第１光源の光に係る現実の放射位置または仮想の放射位置を生成するようにデザインされ、かつ、構成されている、
    請求項１または２に記載の照明装置。
  13. 投射された照明パターンを変更または定めるために、前記第１光源または前記第２光源と、前記投影光学系との間に、光マスキングエレメントが配置されている、
    請求項１または２に記載の照明装置。
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