JP7258505B2 - 光照射システム - Google Patents

Description

本発明は、車両から出射される光により運転者や歩行者に所定の情報を伝達する光照射システムに関する。

従来、レーザダイオード等の半導体光源と、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)やＤＭＤ(Digital Mirror Device)等の小型光学偏向装置とを組み合せた映像投射装置を車両用ヘッドライトとして搭載し、車両前方の仮想スクリーンに配光パターンを投影することができる技術が知られている。このような技術によれば、ヘッドライトの光により対向車両の運転手を幻惑させないような配光パターンを形成することができる。

例えば、特許文献１の車両用灯具は、第１～第４励起光源と、第１、第２励起光源からの励起光を二次元的に走査する上光偏向器と、第３、第４励起光源からの励起光を二次元的に走査する下光偏向器と、上光偏向器、下光偏向器により走査された光の歪みを補正する補正ミラーと、補正ミラーにより補正された光により二次元像を生成する蛍光体とを備えている。

第１～第４励起光源から出射されたレーザ光は、それぞれ仮想スクリーン上の第１～第４走査範囲で走査され、各走査範囲は互いに一部が重なっている。そして、走査される光の重なりが多い程、その領域は明るくなり、各走査範囲の組み合わせにより、所定の配光パターンを形成することができる（段落００６８、図７Ｅ）。

また、近年では、上記技術を応用して、路面上に矢印や警告マーク等の画像を表示する技術も実現している。

特開２０１７－０９７９６８号公報

しかしながら、特許文献１の車両用灯具で路面上に画像を描こうとした場合、光偏向器で光を走査しながら画像を形成するため、形状の自由度は高いものの、コントラストの高い鮮明な画像を形成することが困難であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、鮮明な画像を形成することができる光照射システムを提供することを目的とする。

本発明の光照射システムは、光源と、前記光源からの光を走査する光走査部と、前記光走査部で走査された前記光源の光を波長変換して出射する蛍光体プレートと、前記蛍光体プレートから出射された光を投影する投影レンズとからなる光照射システムであって、
前記光走査部による光の走査を制御する制御部と、
前記蛍光体プレートの光が出射する光出射面に配置され、前記光源からの光を透過させる透過パターンの開口部と前記開口部以外の部分の光を遮光する遮光部とを有する遮光マスクと、をさらに備え、前記透過パターンの前記開口部における前記光源の光のスポット径は、前記開口部の大きさよりも小さく、前記制御部は、前記光源からの光が前記開口部を透過するように前記光走査部を制御することを特徴とする。

本発明の光照射システムでは、光源の光を波長変換する蛍光体プレートの表面側に、透過パターンの開口部と遮光部とからなる遮光マスクを備えている。当該開口部を透過した光は投影レンズを介して前方に照射されるが、遮光部に照射された光は遮光される。そして、制御部は、光が当該開口部を透過するように光走査部を制御するので、透過パターンに応じた画像を形成することができる。

この構成によれば、透過パターンの開口部における光源の光のスポット径は、当該開口部の大きさよりも小さいため、制御部が光走査部を制御して、光源の光が当該開口部の領域を走査するように制御する。これにより、透過パターンに応じた鮮明な画像を形成することができる。

また、本発明の光照射システムにおいて、前記制御部は、前記光源の光が前記遮光マスクの前記開口部よりも広範囲を走査するように前記光走査部を制御することが好ましい。

この構成によれば、制御部が光走査部を制御して、光源の光が当該開口部よりも広範囲を走査するように制御する。これにより、確実に透過パターンに応じた画像を形成することができる。

また、本発明の光照射システムにおいて、前記蛍光体プレートは、前記光源からの光が入射する光入射面を有し、前記光入射面と前記光出射面とが対向して配置された光透過型であることが好ましい。

光透過型の蛍光体プレートでは、光源からの光が蛍光体プレートの光入射面から入射し、対向する位置の光出射面から出射される。さらに、その光が当該光出射面側の遮光マスクを通過する。これにより、透過パターンに応じた画像を形成することができる。

また、本発明の光照射システムにおいて、前記蛍光体プレートは、前記光源からの光が入射する光入射面と当該入射した光を反射する反射面とを有し、前記光入射面と前記光出射面とが同一である光反射型であってもよい。

この構成によれば、光反射型の蛍光体プレートでは、光源からの光が蛍光体プレートの光入射面から入射し、反射面で反射され、光入射面と同じ光出射面から出射される。さらに、その光が当該光出射面側の遮光マスクを通過することで、透過パターンに応じた画像を形成することができる。

また、本発明の光照射システムにおいて、前記遮光マスクは、少なくとも２以上の互いに離間した前記透過パターンを有していることが好ましい。

この構成によれば、遮光マスクに透過パターンを互いに離間した状態で配置することで、複数のパターンを順番に描画したり、複数のパターンを同時に描画したりすることができる。

また、本発明の光照射システムにおいて、前記制御部は、前記光源の光が前記遮光マスクの前記開口部の形状に沿って前記開口部の全体を含む領域を走査するように前記光走査部を制御することが好ましい。

この構成によれば、制御部が光走査部を制御して、光が当該開口部の形状に沿って開口部の全体を含む領域を走査するように制御する。これにより、透過パターンの境界線上、さらにその内部を無駄な照射を減らしながら光を走査して、透過パターンに応じた画像を形成することができる。

また、本発明の光照射システムにおいて、前記制御部は、前記光源の光が前記遮光マスクの前記開口部の全体を含む矩形又は円形の範囲を走査するように前記光走査部を制御するようにしてもよい。

この構成によれば、制御部が光走査部を制御して、光が当該開口部の全体を含む矩形又は円形（真円に限られない）の範囲を走査するように制御する。これにより、透過パターンの境界線上、さらにその内部を確実に走査して、透過パターンに応じた画像を形成することができる。

本発明の実施形態の光照射システムの全体構成図。 図１の車両用灯具（光学系装置）の断面図。 図２の車両用灯具の蛍光体プレート（光透過型）及び遮光マスクを説明する図。 図３Ａの遮光マスクを上方から見た図。 遮光マスクの変更形態（１）を説明する図。 図４Ａの遮光マスクを上方から見た図。 車両用灯具の蛍光体プレート（光反射型）を説明する図。 遮光マスクの変更形態（２）を説明する図。

以下では、図面を参照して、本発明の光照射システムの実施形態について説明する。

まず、図１を参照して、実施形態の光照射システム１の構成を説明する。光照射システム１は、車両用灯具２が車両３から各種センサ情報を受信して、車両３の前方に所定の配光パターンを投影することができるシステムである。

車両用灯具２は、主に四輪車に搭載される灯具（ヘッドランプ）であり、光学系装置２Ａと制御装置２Ｂとで構成される。まず、光学系装置２Ａは、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）６と、光偏向器７と、蛍光体プレート９と、投影レンズ１２とを含んでいる。

ＬＤ６（本発明の「光源」）は、例えば、中心発光波長が４５０ｎｍの青色ＬＤである。ＬＤ６は、後述する駆動回路１６によりオン、オフ及び光量が制御される。十分な光量が確保できるのであれば、ＬＤ６の代わりに発光ダイオード（ＬＥＤ: Light Emitting Diode）を用いてもよい。

光偏向器７は二次元的（水平方向及び垂直方向）に傾倒可能なミラー部を備え、ミラー部に入射した光の反射方向を自在に変えられるようになっている。本実施形態では、ミラー部がＬＤ６から出射されたレーザ光を蛍光体プレート９の方向に反射する。なお、光偏向器７についても駆動回路１６により制御される。

蛍光体プレート９は、光が照射されると蛍光を発する部材である。具体的には、蛍光体プレート９は、光偏向器７のミラー部で反射されたレーザ光（青色の励起光）が照射されることで蛍光が励起され、この青色光と補色の関係にある黄色光を発する。このため、この蛍光体プレート９からは青色光と黄色光とが混色した白色光が出射される。

投影レンズ１２は、蛍光体プレート９と配光パターンが生成される照射可能領域Ｄとの間に配置されている。蛍光体プレート９から出射された光（白色光）は、投影レンズ１２と図示しないケーシングの透光カバーを通過して、車両前方の照射可能領域Ｄに結像される。

次に、制御装置２Ｂは、配光記憶メモリ１３と、コントローラ１４と、ヘッドランプ制御ＥＣＵ（Engine Control Unit）１５と、駆動回路１６とを含んでいる。

配光記憶メモリ１３には、後述するコントローラ１４が演算実行時に使用するデータを一時記憶するためのＲＡＭ、コントローラ１４が実行するプログラムデータを記憶しているＲＯＭ、所定の不揮発性記憶装置等が含まれている。

コントローラ１４は、後述するヘッドランプ制御ＥＣＵ１５から配光パターンの生成に必要な情報（配光生成情報）を取得する。また、コントローラ１４は、配光記憶メモリ１３から現在の配光パターン（配光輝度情報）を読み込み、新たな配光パターンの輝度分布を演算する。その後、コントローラ１４は、新たな配光パターンで照射可能領域Ｄに光が照射されるための配光輝度分布を駆動回路１６に送信する。

ヘッドランプ制御ＥＣＵ１５は、後述する車両３の車載カメラ２１で撮像された画像情報、スピードセンサ２２が検出した車速、ステアリングセンサが取得した舵角、ギアポジションセンサ２４が取得したポジション情報等を取得し、配光パターンの生成に必要な信号に変換して、コントローラ１４に送信する。

駆動回路１６は、ＬＤ駆動信号によりＬＤ６に供給する駆動電力を制御し、ＬＤ６のオン、オフ及び光量の調整を行う。また、駆動回路１６は、光偏向器７のアクチュエータに光偏向器駆動信号を供給して、ミラー部の傾倒態様を制御する。

次に、図２に、図１の車両用灯具２（光学系装置２Ａ）の断面図を示す。

図示するように、車両用灯具２は、第１ＬＤ６Ａと、第２ＬＤ６Ｂと、第１ＬＤ６Ａからのレーザ光を二次元的に走査する第１光偏向器７Ａと、第２ＬＤ６Ｂからのレーザ光を二次元的に走査する第２光偏向器７Ｂとを備えている。

また、車両用灯具２は、光偏向器７Ａ，７Ｂにより走査された光の歪みを補正する補正ミラー８と、補正ミラー８で補正されたレーザ光を波長変換して出射する蛍光体プレート９とを備えている。蛍光体プレート９に描画された二次元像は、投影レンズ１２を介して前方に出射される。

第１ＬＤ６Ａは、青色域のレーザ光を放出する半導体発光素子６Ａ１と、半導体発光素子６Ａ１からの光を集光する集光レンズ６Ａ２（コリメートレンズ）とで構成されている。

第１ＬＤ６Ａと同様に、第２ＬＤ６Ｂは、半導体発光素子６Ｂ１と、集光レンズ６Ｂ２とで構成されている。なお、半導体発光素子６Ａ１，６Ｂ１は、近紫外域（例えば、発光波長が４０５ｎｍ）のレーザ光を放出するレーザダイオード等の半導体発光素子であってもよい。

第１ＬＤ６Ａは、第１光偏向器７Ａのミラー部の回転中心に向けてレーザ光を照射する。また、第２ＬＤ６Ｂは、第２光偏向器７Ｂのミラー部の回転中心に向けてレーザ光を照射する。

光偏向器７Ａ，７Ｂは二軸型光偏向器であり、半導体プロセスやＭＥＭＳ技術を利用して作製され、一定の方向から入射する光を、圧電アクチュエータと結合したトーションバーにより回転するミラー部で反射し、反射光として出射する。光偏向器７としては、例えば、特開２００５－１２８１４７号公報や特許第４０９２２８３号公報に記載された公知の構成のミラーを適用することができる。

光偏向器７Ａ，７Ｂにより走査されたレーザ光は、それぞれ補正ミラー８に入射するが、レーザ光はミラー部への入射角と回転軸との影響により歪みが生じる。補正ミラー８は、レーザ光の歪みを補正して蛍光体プレート９の方向に反射させるため、反射面が湾曲している。なお、補正ミラー８の形状は適宜変更可能であり、複数のミラーで構成するようにしてもよい。複数のミラーを設ける場合は、光偏向器７Ａ，７Ｂのそれぞれに対応するように配設する。

蛍光体プレート９は、補正ミラー８からのレーザ光が入射して、レーザ光を異なる波長の光に変換し、投影レンズ１２側に出射する。例えば、ＬＤ６Ａ，６Ｂの半導体発光素子６Ａ１，６Ｂ１のように青色ＬＤを用いる場合、蛍光体プレート９としては、レーザ光によって励起されて黄色光を発光するものが用いられる。蛍光体プレート９には、補正ミラー８からのレーザ光により、所定の配光パターンに対応する二次元像が白色の像として描画される。

一方、半導体発光素子６Ａ１，６Ｂ１として、近紫外ＬＤを用いる場合、蛍光体プレート９としては、レーザ光によって励起されて赤、緑、青の３色の光を発光するものが用いられる。蛍光体プレート９には、補正ミラー８からのレーザ光により、所定配光パターンに対応する二次元像が白色の像として描画される。これは、蛍光体プレート９を透過（通過）するレーザ光による発光（赤、緑、青の３色の光）の混色によって白色光が放出されることによる。

ＬＤ６Ａ，６Ｂ、光偏向器７Ａ，７Ｂ、補正ミラー８及び蛍光体プレート９は、筐体５の内部に配設されている。なお、光偏向器７Ａ，７Ｂに向けてレーザ光を照射するＬＤがさらに１つずつ存在する場合もある。

投影レンズ１２は４枚のレンズ１２ａ～１２ｄからなり、レンズ１２ａ～１２ｄは、レンズホルダ１１に保持されている。レンズ１２ａ～１２ｄは、像面が平面となるように収差（像面湾曲）が補正され、且つ色収差が補正される。

また、投影レンズ１２の焦点は、蛍光体プレート９の近傍に位置している。この投影レンズ１２により、１枚の凸レンズを用いる場合と比べ、所定の配光パターンに対する収差の影響を除去することができる。なお、投影レンズ１２は、収差が補正されていない１枚の非球面レンズで構成してもよい。この場合、蛍光体プレート９は、収差に対応して湾曲した形状のものが用いられる。

投影レンズ１２は、蛍光体プレート９に描画された二次元像を前方に出射して、照射可能領域Ｄ（車両用灯具２の前方約２５ｍの位置に配置されている）上に、所定の配光パターンとして、例えば、ハイビーム用配光パターンを形成する。

次に、図３Ａ、図３Ｂを参照して、蛍光体プレート（光透過型）、遮光マスクの詳細を説明する。

図３Ａに示すように、蛍光体プレート９は、ＡＲ（Anti Reflection）コート層９ａ、サファイア基板９ｂ、ダイクロイックミラー９ｃ及び蛍光体層９ｄで構成されている。

蛍光体プレート９は、レーザ光の光入射面と光出射面が対向して配置されており（光透過型）、サファイア基板９ｂの光入射面側にＡＲコート層９ａが積層され、光出射面側に下層からダイクロイックミラー９ｃ、蛍光体層９ｄが積層されている。なお、蛍光体層９ｄは、印刷、スプレー又はモールドにより形成する。

ＡＲコート層９ａは、レーザ光の透過率を高める目的で設けられた反射防止用のコーティングである。また、ＡＲコート層９ａを透過してサファイア基板９ｂに入射したレーザ光は、ダイクロイックミラー９ｃにより、特定波長の光が透過し、その他の光が反射される。

具体的には、ダイクロイックミラー９ｃで青色域のレーザ光が透過して蛍光体層９ｄに到達するが、その他の波長の光は反射（全反射）される（サファイア導波光）。

また、蛍光体層９ｄの上面側には、遮光マスク１０が積層されている。遮光マスク１０の材料はＭｏ、Ｃｒ、ＣｒＯ等の光吸収率の高い材料であることが好ましい。光吸収率の高い材料の場合、レーザ光により発熱し高温となることがあるため、Ａｌや誘電体多層膜等の反射材料で構成してもよい。

図３Ｂに示すように、遮光マスク１０を上方から見たとき、遮光部１０ａの一部に開口部１０ｂ（矢印の形状）が設けられている。蛍光体層９ｄに到達したレーザ光は波長変換され、一部の光（白色光）が開口部１０ｂから出射される。

このような遮光マスク１０を有していない場合、蛍光体層９ｄから出射される光が散乱して滲みが生じる。本発明の構成では、光は遮光マスク１０の開口部１０ｂからのみ出射されるため、投影レンズ１２を介して投影される映像は、開口部１０ｂの形状（透過パターン）に沿ったエッジの鮮明な映像となる。なお、遮光マスク１０の開口部１０ｂ以外では、光が反射される（蛍光体導波光）。

また、開口部１０ｂにおいて、レーザ光のスポットサイズＳＰは非常に小さい。このため、駆動回路１６は、開口部１０ｂの画像を描く場合に、開口部１０ｂのパターンに沿ってレーザ光が走査されるように光偏向器７を制御する。これにより、透過パターンの境界線全体に光が照射され、高効率で高輝度の画像を投影することができる。

なお、光照射システム１は、、ロービーム、ハイビーム又はＡＤＢ(Adaptive Driving Beam)用の配光パターンを生成するため、従来の蛍光体プレートを有するもう１つの車両用灯具（特に、光学系装置の部分）を備えている。照射可能領域Ｄには、それぞれの車両用灯具で生成された配光パターンと透過パターン（例えば、矢印）とを重ね合わせて投影する。そして、透過パターンを十分明るくなるように制御することで、配光パターンの中の透過パターンは、運転者又は歩行者に認識可能となる。

次に、図４Ａ、図４Ｂを参照して、遮光マスクの変更形態を説明する。

図４Ａに示すように、蛍光体プレート９は、ＡＲコート層９ａ、サファイア基板９ｂ、ダイクロイックミラー９ｃ及び蛍光体層９ｄで構成され、蛍光体層９ｄの上面側に板状の遮光マスク２０が配置されている。遮光マスク２０は、蛍光体層９ｄに貼付されていてもよいし、所定の間隔を空けて配置されていてもよい。所定の間隔とは０．５μｍ以下であることが好ましく、それ以上の間隔では、光の滲みが生じることがある。

また、図４Ｂに示すように、遮光マスク２０を上方から見たとき、遮光部２０ａには、複数の互いに離間した開口部２０ｂ１～２０ｂ４が設けられている。蛍光体層９ｄに到達したレーザ光は波長変換され、一部の光（白色光）が開口部２０ｂ１～２０ｂ４から出射される。

ここでも、開口部２０ｂ１（開口部２０ｂ２～２０ｂ４も同じ）において、レーザ光のスポットサイズＳＰ（破線の小楕円）は非常に小さい。開口部２０ｂ１の画像を描く場合、開口部２０ｂ１のパターンに沿ってレーザ光が走査されるように制御する。

図示するように、透過パターンの全体を覆う矩形又は円形（真円に限られない）の領域に対してレーザ光が走査されるように制御してもよい。これにより、透過パターンの境界線全体に光が照射され、高効率で高輝度の画像を投影することができる。

遮光マスク２０では、投影したい複数の開口部を狙ってレーザ光を走査することも可能である。例えば、開口部２０ｂ１～２０ｂ４に対して順番にレーザ光を走査することで、照射可能領域Ｄに動画を投影することもできる。

次に、図５を参照して、蛍光体プレートの他の変更形態を説明する。

図５に示すように、蛍光体プレート３５は、反射ミラー３５ａと、蛍光体層３５ｂ（単結晶、セラミック等）とで構成されている。また、遮光マスク１０は、蛍光体層３５ｂに貼付されている。

蛍光体プレート３５は光反射型であるため、レーザ光が遮光マスク３０の開口部３０ｂから蛍光体層３５ｂに入射し、下面側の反射ミラー３５ａで反射される。蛍光体プレート３５は、光入射面と光出射面とが同一であるので、反射光（白色光）が開口部１０ｂから出射される。

最後に、図６を参照して、遮光マスクの他の変更形態を説明する。

図６に示すように、遮光マスク３０は、遮光部３０ａと遮光部３０ａに設けられた開口部３０ｂとで構成され、蛍光体プレートの一部の領域を被覆する。遮光マスク３０で被覆されていない部分（図中の上半分）は、蛍光体層（図５であれば、蛍光体層３５ｂ）が最上面となっており、ロービーム、ハイビーム又はＡＤＢ等の自在の配光可変エリアとして利用される。遮光マスク３０で被覆されていない部分は、全体の１／２～２／３の領域であることが好ましい。

遮光部３０ａは、蛍光体層に積層するか、板状の遮光マスクとして貼付又は所定の間隔を空けて配置される。これにより、レーザ光は蛍光体層で波長変換され、白色光が開口部３０ｂから出射される。

遮光マスク３０を用いる場合、１つの車両用灯具で、例えば、ハイビームの配光パターンの下方に透過パターン（矢印）を投影することができる。また、透過パターンの投影位置をミラー等で移動させることで、ハイビームの配光パターンに透過パターンを重ねて表示することができる。

上述の実施形態は一例に過ぎず、用途に応じて適宜変更することができる。透過パターンの例として矢印を示したが、警告マークの他、路面状態や天候を表すマークを表示することもできる。天候を示すマークの例としては、例えば、車両に取り付けられた雨滴センサの情報から傘マークを表示することが挙げられる。

蛍光体プレートの領域より小さい遮光マスク３０は（図６参照）は、光透過型、光反射型の何れの蛍光体プレートにも採用することができる。また、光反射型の蛍光体プレート３５では、遮光マスク３０が貼付されていたが（図５参照）、板状の遮光マスク２０（図４Ａ参照）を所定の間隔を空けて配置してもよい。

１…光照明システム、２…車両用灯具、２Ａ…光学系装置、２Ｂ…制御装置、３…車両、５…筐体、７…光偏向器、６…ＬＤ、６Ａ…第１ＬＤ、６Ｂ…第２ＬＤ、７…光偏向器、７Ａ…第１光偏向器、７Ｂ…第２光偏向器、８…補正レンズ、９，３５…蛍光体プレート、１０，２０，３０…遮光マスク、１１…レンズホルダ、１２…投影レンズ、１３…配光記憶メモリ、１４…コントローラ、１５…ヘッドランプ制御ＥＣＵ、１６…駆動回路、２１…車載カメラ、２２…スピードセンサ、２３…ステアリングセンサ、２４…ギヤポジションセンサ、Ｄ…照射可能領域。

Claims (7)

1. 光源と、前記光源からの光を走査する光走査部と、前記光走査部で走査された前記光源の光を波長変換して出射する蛍光体プレートと、前記蛍光体プレートから出射された光を投影する投影レンズとからなる光照射システムであって、
   前記光走査部による光の走査を制御する制御部と、
   前記蛍光体プレートの光が出射する光出射面に配置され、前記光源からの光を透過させる透過パターンの開口部と前記開口部以外の部分の光を遮光する遮光部とを有する遮光マスクと、をさらに備え、
   前記透過パターンの前記開口部における前記光源の光のスポット径は、前記開口部の大きさよりも小さく、
   前記制御部は、前記光源からの光が前記開口部を透過するように前記光走査部を制御することを特徴とする光照射システム。
2. 請求項１に記載の光照射システムにおいて、
   前記制御部は、前記光源の光が前記遮光マスクの前記開口部よりも広範囲を走査するように前記光走査部を制御することを特徴とする光照射システム。
3. 請求項１～２の何れか１項に記載の光照射システムにおいて、
   前記蛍光体プレートは、前記光源からの光が入射する光入射面を有し、前記光入射面と前記光出射面とが対向して配置された光透過型であることを特徴とする光照射システム。
4. 請求項１～２の何れか１項に記載の光照射システムにおいて、
   前記蛍光体プレートは、前記光源からの光が入射する光入射面と当該入射した光を反射する反射面とを有し、前記光入射面と前記光出射面とが同一である光反射型であることを特徴とする光照射システム。
5. 請求項１～４の何れか１項に記載の光照射システムにおいて、
   前記遮光マスクは、少なくとも２ 以上の互いに離間した前記透過パターンを有していることを特徴とする光照射システム。
6. 請求項２に記載の光照射システムにおいて、
   前記制御部は、前記光源の光が前記遮光マスクの前記開口部の形状に沿って前記開口部の全体を含む領域を走査するように前記光走査部を制御することを特徴とする光照射システム。
7. 請求項２に記載の光照射システムにおいて、
   前記制御部は、前記光源の光が前記遮光マスクの前記開口部の全体を含む矩形又は円形の範囲を走査するように前記光走査部を制御することを特徴とする光照射システム。

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