JP6966933B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用前照灯等に適した照明装置に関する。

近年、車両用前照灯において、対向車の存在等の前方の状況に応じて、配光形状をリアルタイムで制御できる技術（ＡＤＢ adaptive driving beam 等と呼ばれる）が注目されている。例えば、走行用の配光形状すなわちハイビームで走行中に、対向車を検出した場合に、前照灯に照射される領域の内、当該対向車の領域に向う光のみをリアルタイムで低減することが可能となる。ドライバに対しては常にハイビームに近い視界を与え、その一方で対向車に対して眩惑光（グレア）を与えることを防止できる。

このような前照灯を、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ light emitting diodes）を行列状に配置し、駆動回路で各発光ダイオードの駆動電流を制御し、制御された配光形状の出射光をプロジェクションレンズ等の投影用光学素子で前方に投影する構成で実現することが考えられる。しかし、複数の発光ダイオードの駆動電流を任意に制御するためには、複数の電流源が必要になり、前照灯の製造コストが高くなってしまう。

ＬＥＤ等の発光部の前に、液晶（ＬＣ）素子の前後両面に偏光子を備えた液晶装置等の遮光部を配置し、発光部からの発光を遮光部でパターン制御する構成も提案されている(例えば特許文献１)。発光部は視野内を照明できればよく、必要なＬＥＤの数は制限できる。全体の発光パターンを制御する遮光部は１つの液晶装置で実現できる。複数の制御領域を有し、各制御領域の光透過率を制御できる液晶装置は、極めて安価に入手できる。前照灯の製造コストを著しく低減することが可能となる。

車両用照明装置等において、液晶素子を用いて光源から発した光に配光パターンを与える場合、液晶素子内で液晶層の両側に電極を配置して液晶層に電圧を印加することにより液晶分子の配向を制御し、液晶素子の前後に偏光子／検光子を配置して、液晶層に印加する電圧のＯＮ／ＯＦＦに基づく液晶分子の配向により透過光のＯＮ／ＯＦＦを制御する。液晶素子と偏光子／検光子を併せて液晶装置とも呼ぶことにする。例えば、垂直配向液晶とクロスニコル（ポーラライザ）とを用いた液晶装置や、面内配向液晶とクロスニコルを用いた液晶装置は、ノーマリーブラックモードの優れた性能を示す。

対向車の存在等の前方の状況に応じて、配光形状をリアルタイムで制御するために、車載カメラ、レーダ、車速センサ等の各種センサが接続されている前方監視ユニットが用いられる（例えば特許文献２参照）。センサから取得した撮像データを画像処理し、前方車両（対向車や先行車）等を検出し、配光制御に必要なデータを算出する。配光制御ユニットは、前方監視ユニットから送出されてくる情報に基づいて、その走行場面に対応した配光パターンを決定する。

特開２００５−１８３３２７号公報 特開２０１３−０５４８４９号公報

偏光子は入射光から所定の偏光を有する光成分を抽出する。通常、その他の光成分は排除されるため、液晶装置を用いて配光パターンを形成する場合、光の利用効率は低い。

ノーマリーブラックモードの液晶装置を用いる場合、液晶装置が破損して電圧が印加できなくなると、照明領域全体が真っ暗になってしまう。フェールセーフの安全を維持する上で好ましくない。

ＡＤＢ動作する前照灯において、ハイビームエリアは配光パタ−ンを部分的にＯＮ／ＯＦＦ制御する必要がある。ロービームエリアは通常常に照明すべき領域であり、配光パターンの部分的ＯＮ／ＯＦＦ制御は不必要である。ハンドルの舵角に合わせて、配光形状を左右に移動させるシステム（ＡＦＳ adaptive front-lighting system 等と呼ばれる）を用いる場合も中央の主要部は常に点灯／照明する領域である。常に照明する領域においては配光パターンの部分的制御は不必要である。

通常の偏光子は光を吸収して加熱する。熱が液晶層に伝わると液晶機能が損なわれることがある。加熱を抑制するために偏光子は液晶素子から離して配置する。液晶に入射する光はある程度の入射角度範囲内に分布する。液晶素子は投影光学系の焦点位置に配置される。液晶素子の各点を通る光は、偏光子上ではある範囲内に分布する。液晶素子の出射光を精度良く制御するためには、偏光子上で分布する光を偏光制御する必要がある。

光の利用効率が高く、フェールセーフの安全措置が可能で、配光パターンの偏光制御が高精度の照明装置が求められている。

本発明の実施例によれば、
第１部分と第２部分とを含む電極パターンを有する液晶素子と、
前記電極パターンに接続された駆動回路と、
前記液晶素子の前後に光軸方向に離して、かつ前記液晶素子の法線方向の射影において、前記液晶素子に対して部分配置され、クロスニコル配置された偏光子／検光子と、
所定の入射角範囲内で前記液晶素子に光を供給する光源と、
前記液晶素子を透過した光を前方に投影できる投影光学系と、
を有し、前記光源点灯時には前記駆動回路は、前記電極パターンの第１部分に対して状況に応じて電圧を印加／解除し、前記電極パターンの第２部分に対して常に電圧を印加し、前記電極パターンの第１部分を通過し、前方に投影される光は前記偏光子／検光子の両方を通過し、前記電極パターンの第２部分を通過し、前方に投影される光は前記偏光子／検光子の少なくとも一方を通過しない成分を含む、照明装置
が提供される。

配光パターンの制御が不必要な領域においては偏光子／検光子の少なくとも一部を省略してもよい。偏光子（検光子）を省略することにより、光利用効率は向上する。偏光子／検光子の一方がない場合、ノーマリーブラックモードであっても、クロスニコルは形成されず、少なくとも一方の偏光成分は透過する。フェールセーフの安全を維持するための照明は確保される。

ロービームエリアの一部で、偏光子／検光子のいずれも存在しない構成とすれば、偏光子（検光子）を用いることによる光強度の減少を防止でき、光利用効率は大きく向上する。

図１Ａは本発明の第１の実施例による照明装置を示すブロック図，図１Ｂは液晶素子の構成を概略的に示す平面図，図１Ｃは液晶素子とその両側の偏光子、検光子を含む液晶装置における光ビームの軌跡を示す断面図である。 図２Ａは第１の実施例において、状況に応じてＯＮ／ＯＦＦ制御する（液晶素子電極パターンの）第１部分を通過する光の進路を示す概略断面図，図２Ｂは第１の実施例において、常に電圧を印加される（液晶素子電極パターンの）第２部分を通過する光の進路を示す概略断面図、図２Ｃは第１の実施例において、液晶素子の無電極領域を通過する光の進路を示す概略断面図である。 図３Ａ，３Ｂは、第２の実施例の第１例、第２例による照明装置における液晶装置を示す断面図である。 図４は、第３の実施例による照明装置における液晶装置を示す断面図である。 図５Ａは第４の実施例による照明装置を示すブロック図、図５Ｂ，５Ｃは第４の実施例に用いる予備偏光子の第１例、第２例を示す断面図である。

１ 光源、 ３ 液晶素子、 ４ 駆動回路、 ５ 配光制御ユニット、
６ 偏光子、 ７ 検光子、 ９ 投影光学系、 １０ 照明装置、
１１ 予備偏光子、 １３ ワイヤグリッド偏光子、
１４ （λ／２）位相差板、 １５ （λ／４）位相差板、 １６リフレクタ、
３０ （液晶素子３の）電極パターン、 ３１ （電極パターン）第１部分、
３２ （電極パターン）第２部分、 ３３ 無電極領域、
θ 入射角、 ａ 偏光子（検光子）液晶素子間距離、 ｂ 第２部分の幅、
ＨＢ ハイビームエリア、 ＬＢ ロービームエリア、

図１Ａを参照して、本発明の第１の実施例による照明装置を説明する。照明装置が車両用前照灯である場合を例として説明する。図１Ａにおいて、光源１は例えば複数個の発光ダイオードチップと発光ダイオード上に配置された蛍光体膜を含んで構成される白色光発光体であり、電源２で駆動されて発光し、白色光を液晶素子３に供給する。液晶素子３は、例えば垂直配向液晶素子、インプレーンスイッチ液晶素子で構成され、前後にクロスニコルを構成する偏光子６、検光子７が配置されて液晶装置を構成する。配光制御ユニット５から供給される配光制御情報に基づいて駆動信号を供給する駆動回路４によって液晶装置が駆動され、ノーマリーブラック型の表示／照明を形成する。検光子７を通過した光は投影光学系９によって車両前方の視野に投影される。なお、液晶素子としてツイステッドネマチック（ＴＮ）液晶素子を用い、パラレルニコルの偏光子対に挟む構成も可能である。

視野内下部のロービームエリアは主に前方の路面を含む領域であり、視野内上部のハイビームエリアは対向車、歩行者を含む領域である。照明装置からのロービームはロービームエリアを照明する。ハイビームエリアはハイビームによって照明される。２ビーム方式ではロービームとハイビームをそれぞれ別に形成する。１ビーム方式のハイビームはハイビームエリアとロービームエリアを照明する。例えば走行用の配光形状すなわちハイビームで走行中に、対向車を検出した場合に、前照灯に照射される領域の内、当該対向車の領域に向う光のみをリアルタイムで低減する。ドライバに対しては常にハイビームに近い視界を与え、その一方で対向車に対して眩惑光（グレア）を与えることを防止できる。前照灯点灯時、ロービームエリアは常に照明すべき領域である。

液晶素子がクロスニコルに挟まれたノーマリーブラック型の液晶装置は、電源がＯＦＦされると、全ての出射光がＯＦＦされ、視野内を真っ暗にする。後述するように、偏光子６、検光子７の少なくとも一方は、液晶素子表面の一部からは取り除かれた形状を有し、液晶装置に支障が生じても、安全維持上フェールセーフの照明を確保する。

図１Ｂは、液晶素子３の概略平面図を示す。液晶層を含む液晶素子３の光透過領域に駆動回路４によって駆動される電極パターン３０が形成されている。電極パターン３０は、状況に応じてＯＮ／ＯＦＦ制御され、ＡＤＢ機能を発揮する第１部分３１、常に電圧を印加されて、ＯＮ状態となる第２部分３２を含む。液晶素子３は更に、電極パターンの第２部分３２に隣接し、第１部分３１の逆側に位置する無電極領域３３を含む。なお、液晶素子３は投影光学系９によって反転投影されるので、ハイビームエリアが下方、ロービームエリアが上方と上下が反転した配置である。

図１Ｃは、液晶素子３内の電極パターンの第１部分３１と第２部分３２、および無電極領域３３と、その前後に配置された偏光子６、検光子７の位置関係と、基準となる光ビームの軌跡を示す断面図である。液晶素子３内で、電極パターン３０の第１部分３１の上方に配置された第２部分３２は垂直方向の幅ｂを有し、第２部分３２の上方に無電極領域３３が配置されている。第１部分３１はハイビームエリアＨＢに相当し、第２部分３２と無電極領域３３はロービームエリアＬＢに相当する。

液晶素子３の前方、光軸方向距離ａの位置に配置された偏光子６はその上端が、電極パターン３０の第１部分３１の上端から高さｂ／２の位置に配置されている。液晶素子に入射する光の最大入射角を上方向、下方向それぞれθとする。

図中基準となる光ビームとして、幅ｂの第２部分３２の下端を通過する最大入射角度θの２本の光ビーム４１,４２、第２部分３２の上端を通過する最大入射角度θの２本の光ビーム４３,４４を図示してある。

偏光子６の上端を通過し、液晶素子３に最大入射角θで下方に向かう光ビーム４１が電極パターン第１部分３１の上端を通過している。電極パターン第１部分３１に入射する光は、全て偏光子６で偏光されることが判る。電極パターン第１部分３１は完全に偏光した入射光を受けるので、偏光制御による透光／遮光の精度を高くすることができる。偏光子６の高さを第１部分３１の上端から高さｂ／２の位置より低くすると非偏光の光が入射することになり、偏光制御による精度が劣化する。

また、偏光子６の上端を通過し、最大入射角θで上方に向かう光ビーム４４が無電極領域３３の下端を通過している。光ビーム４４は偏光子６を通過しないので偏光されず、無電極領域３３の液晶は電圧を印加されず、光ビーム４４の光路上に検光子も存在しないので、光ビーム４４は減光を抑制した高透過率で出射できる。偏光子６の高さを第１部分３１の上端から高さｂ／２の位置よりも高くすると無電極領域３３に入射する光の一部が偏光子６の偏光作用を受けて、減光することになり、高透過率機能が劣化する。

液晶素子３から出射して検光子７方向に進む光についても同様の考察を行うと、検光子７の上端を、電極パターン３０の第１部分３１上端から高さｂ／２の位置に配置する時、偏光制御性、高透過率機能を最大にすることができることが判明する。

液晶素子３の前後、光軸方向距離ａの位置に配置された偏光子６、検光子７はその上端が、電極パターン３０の第２部分３２の中間高さ（典型的には高さｂ／２の位置）に配置されている場合、偏光制御性、高透過率機能を向上できると言えよう。

液晶素子３に最大入射角θで入射する光は、光軸方向距離ａ進む間に垂直方向距離（ａ＊ｔａｎθ）変位する。図１Ｃの配置によれば、（ｂ／２）＝（ａ＊ｔａｎθ）の関係が成立する。（ｂ／２）＞（ａ＊ｔａｎθ）の関係が成立する場合、無電極領域の透光率は若干減少するが、偏光制御性は変化しない。実用的には、（ｂ／２）≧（ａ＊ｔａｎθ）の関係が好ましいと言えよう。

なお、光軸方向距離ａ、入射角度θが一定の場合を解析したが、これらのパラメータが異なる値を有する場合は、大きな数値を持つａ、θを考察すればよい。

液晶素子電極パターン３０の第２部分３２は、ロービームエリアＬＢを照明するので、常時透光機能を示すことが好ましい。第２部分３２の電極には駆動回路４から常時電圧を印加して、透光状態とする。液晶素子３が機能障害を生じて、電圧印加が中断されると、電極パターン３０の第１部分３１と第２部分３２に電圧が印加されなくなり、偏光子６、検光子７を介して、電極パターン３０の第１部分３１と第２部分３２を透過する光は遮光される。この時も、偏光子６、検光子７の上端より上側を通過し偏光されない光は液晶素子３を自由に通過する。また、光ビーム４１から４４の間に分布する光、光ビーム４３から４２の間に分布する光のように、偏光子６．検光子７のいずれか１方を通らない光は、遮光されない。これらの光は液晶装置を透過して、フェールセーフの照明を維持できる。

図２Ａは、液晶素子の電極パターン３０の第１部分３１（ハイビームエリア）を通過する光の軌跡を示す断面図である。偏光子６、検光子７はクロスニコルである。電極パターン３０の第１の部分３１は基本的に電圧印加されて、偏光軸変化を生じ、透光性となる。選択された電極領域で電圧がＯＦＦされると、偏光軸変化が消滅し、選択的遮光が行われ、対向車等に対する眩惑光が防止される。

図２Ｂは、液晶素子の電極パターン３０の第２部分３２（ロービームエリアの上部）を通過する光の軌跡を示す断面図である。第２部分３２は常時電圧を印加され、透光性を有する領域である。液晶装置の破損などにより電圧が印加されなくなると、偏光子６、液晶素子３、検光子７を通る光ビームに対し、遮光性となる。偏光子６、検光子７の両上端より上を通る光はクロスニコルが構成されないので透過する。液晶素子３表面に対して斜向し、偏光子６、検光子７の両方は通過しない（クロスニコルは透過しない）図示のような光ビームも透過する。

図２Ｃは、液晶素子３の無電極領域３３（ロービームエリアの下部）を通過する光の軌跡を示す断面図である。無電極であるので液晶層に電圧は印加されず、液晶層通過による変化は生じない。偏光子６、検光子７（クロスニコル）も存在せず、入射光は通過する。偏光選択による輝度低下も防止される。

第１の実施例においては、液晶素子と平行配置される偏光子、検光子の両方の一部を切り欠いた形状とした。偏光子、検光子の一方は液晶素子の全面と重なる形状としたい要求もある。偏光子、検光子の一方が液晶素子の全面に重なると光利用効率は劣化するが、全面配置の場合、境界の位置合わせは不要になる。

図３Ａ，３Ｂは、第２の実施例の液晶装置の第１例、第２例を示す、偏光子６、液晶素子３、検光子７の組み合わせ部分の断面図である。図３Ａにおいては、検光子７が液晶素子３の光透過部分全体に重ねて配置され、図３Ｂにおいては、偏光子６が液晶素子３の光透過部分全体に重ねて配置されている。

図３Ａにおいては、偏光子６の上端が液晶素子３の電極パターン第１部分３１の上端からｂ／２の高さ位置に配置され、図３Ｂにおいては、検光子７の上端が液晶素子３の電極パターン第１部分３１の上端からｂ／２の高さ位置に配置されている。

配光パターンの制御が不必要な領域においては偏光子／検光子の一部を省略することにより、光利用効率は向上し、液晶素子破損時にも、ノーマリーブラックモードであっても、フェールセーフの安全を維持するための照明は確保される。この点は第１の実施例と同様である。液晶素子３の電極パターンのＯＮ／ＯＦＦ制御される第１部分を通過する全光ビームが、偏光子６、検光子７の偏光制御を受ける高い偏光制御性を持つ点も第１の実施例同様である。

第１、第２の実施例においては、液晶素子の無電極領域３３の下端を偏光子６、検光子７の一部切り欠いた上端より上方に配置して、無電極領域３３に入射する光の利用効率を向上している。この条件を省略することも可能である。

図４は第３の実施例の例を示す、偏光子６、液晶素子３、検光子７の組み合わせ部分の断面図である。第１の実施例と異なる点は、液晶素子３の電極パターンの第２部分３２の上端と、偏光子６、検光子７の上端が同じ高さに配置されている点である。偏光子６上端を通り、下側に最大入射角度Θで進行する光が電極パターン第１部分３１上端を通過する点は第１の実施例同様である。

液晶素子３の電極パターン第１部分３１に入射する光が全て偏光子６の偏光制御を受ける点は第１の実施例同様である。ただし、液晶素子３の無電極領域３３に入射する光ビームの内、斜め入射する光の多くは、偏光子６又は検光子７の偏光制御を受け、無電極領域３３を通過する光の利用効率は劣化する。

以上の実施例においては、光源からの発光を偏光子によって直線偏光に変換した。選択した偏光以外を利用しない場合、光の利用効率は低い。光源から発した光のほぼ全てを１方向の偏光に揃えることも可能である。

図５Ａは第４の実施例による照明装置を示すブロック図である。図１Ａに示す第１〜第３の実施例の構成と較べると、光源１と偏光子６との間に予備偏光子１１が入った点が異なる。予備偏光子１１は光源１からの発光を予備的に偏光子６が生じる偏光とほぼ同一の方向に偏光する。その他の点は、第１〜第３の実施例とほぼ同一である。

図５Ｂは、予備偏光子１１の第１例を示す断面図である。光源からの発光をワイヤグリッド偏光子、誘電体多層膜偏光子等の偏光ビームスプリッタ１３で受ける。例えば、ワイヤグリッド偏光板は導電性ワイヤが平行に配置された構成を有し、ワイヤと直交する偏光は透過させ、ワイヤと平行な偏光は反射する。偏光ビームスプリッタは、反射した偏光と透過した偏光の２つの偏光を生じる。

偏光ビームスプリッタ１３を透過した偏光の偏光軸を（λ／２）位相差板１４で回転させ、反射した偏光と同じ向きにし、リフレクタ１６で反射して反射した偏光と同じ方向に向かわせる。２種類の偏光は、ほぼ同じ偏光方向とほぼ同じ進行方向を有するようになる。光源からの発光をほぼ全て同じ向きの偏光に変換できる。なお、（λ／２）位相差板１４の位置を実線で示すリフレクタ１６上流位置から破線で示すリフレクタ１６下流位置に変更してもよい。

予備偏光子１１から得た偏光を、偏光子６で偏光して偏光率の高い偏光にする。偏光子６に入射する予備偏光は、偏光子６の偏光軸と揃った方向を有するようにする。偏光子６で利用されず、捨てられる偏光成分は激減し、光利用効率を向上することができる。なお、入射光のほぼ全部が偏光となるので、液晶素子の破損時の照明維持の目的からは、図３Ａに示す検光子が液晶素子の光透過面全面に分布する構成は好ましくない。偏光子６、液晶素子３、検光子７の組み合わせとして、他の実施例の構成を用いることができる。

図５Ｃは、（λ／２）位相差板１４に換えて、２つの（λ／４）位相差板１５ａ、１５ｂを用いる場合を示す。予備偏光子１１で形成した偏光を種々の光学系等で加工すると偏光度は低下する。軸方向を揃えた２つの（λ／４）位相差板１５ａ、１５ｂは、併せて（λ／２）位相差板同様の機能を果たす。さらに２つの（λ／４）位相差板間では円偏光となるので、リフレクタなどの反射面が曲面であっても偏光解消が生じにくい。曲面反射を多用するリフレクタ等を用いた光学系を用いる場合特に好適な構成である。図５Ｃの予備偏光子１１も、図３Ａに示すような液晶素子の光透過領域全体に検光子を配置した構成以外の、上述実施例の照明装置と組み合わせて図５Ａの照明装置を形成できる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限られるものではない。種々の変形、改良、組み合わせ、置換などが可能なことは当業者に自明であろう。

Claims (10)

1. 第１部分と第２部分とを含む電極パターンを有する液晶素子と、
   前記電極パターンに接続された駆動回路と、
   前記液晶素子の前後に光軸方向に離して、かつ前記液晶素子の法線方向の射影において、前記液晶素子に対して部分配置され、クロスニコル配置された偏光子／検光子と、
   所定の入射角範囲内で前記液晶素子に光を供給する光源と、
   前記液晶素子を透過した光を前方に投影できる投影光学系と、
   を有し、前記光源点灯時には前記駆動回路は、前記電極パターンの第１部分に対して状況に応じて電圧を印加／解除し、前記電極パターンの第２部分に対して常に電圧を印加し、前記電極パターンの第１部分を通過し、前方に投影される光は前記偏光子／検光子の両方を通過し、前記電極パターンの第２部分を通過し、前方に投影される光は前記偏光子／検光子の少なくとも一方を通過しない成分を含む、照明装置。
2. 前記液晶素子は、前方に投影された時に、鉛直方向上方に配置されるハイビームエリアと、前記ハイビームエリアより下方に配置されるロービームエリアとを有し、前記電極パターンの第１部分は前記ハイビームエリアに属し、前記電極パターンの第２部分は前記ロービームエリアに属する、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記液晶素子は、前記電極パターンの前記第２部分に隣接し、かつ前記第１部分と逆側の位置に、電極パターンが存在しない無電極領域を有する、請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記液晶素子の前記無電極領域は、前記ロービームエリアに属する、請求項３に記載の照明装置。
5. 前記電極パターンの第２部分は照明視野内垂直方向に関して幅ｂを有し、前記偏光子／検光子の内、前記液晶素子に近い方が前記液晶素子との間に形成する距離をａとし、前記入射角範囲が前記液晶素子の法線に対して形成する角度の内、大きい方をθとした時、
   （ｂ／２）≧（ａ＊ｔａｎθ）
   の関係が満たされる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記偏光子／検光子において、前記偏光子のロービームエリア側領域の一部が取り除かれている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 前記液晶素子の電極パターンの前記第２部分は照明視野内垂直方向に関して前記偏光子より高さが高い、請求項６に記載の照明装置。
8. 前記偏光子／検光子において、前記検光子のロービームエリア側領域の一部が取り除かれている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明装置。
9. 前記液晶素子の電極パターンの前記第２部分は照明視野内垂直方向に関して前記検光子より高さが高い、請求項８に記載の照明装置。
10. 前記光源と前記偏光子との間に、前記偏光子に沿った方向に偏光を生じさせる構成をさらに有する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の照明装置。

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