JP7341634B2 - 車両用灯具 - Google Patents

Description

本発明は自動車等の車両に用いられる灯具に関し、特にＡＤＢ（Adaptive Driving Beam）配光制御が可能な前照灯（ヘッドランプ）に適用して好適な車両用灯具に関するものである。

自動車のヘッドランプとして、自車両の前方領域の照明効果を高める一方で、当該前方領域に存在する先行車や対向車等の自車両の前方領域に存在する車両（以下、前方車両と称する）に対する眩惑を防止する配光を得るための手法の一つとして、ＡＤＢ配光制御が提案されている。このＡＤＢ配光制御では、車両位置検出装置によって前方車両を検出し、検出した前方車両が存在する領域の光量を低減あるいは消灯し、それ以外の広い領域を明るく照明する制御が行われる。

近年ではこのＡＤＢ配光制御はＬＥＤ等の発光素子を光源とするヘッドランプにも適用されており、光源としての複数個のＬＥＤからの光、すなわち各ＬＥＤのそれぞれの照明領域を合体させて自車両の前方領域を照明する配光を構成している。そして、前方車両を検出したときには検出した前方車両に対応する照明領域のＬＥＤを減光あるいは消灯する構成がとられている。

このようなＡＤＢ配光制御では、複数個のＬＥＤから出射された白色光を投影レンズで自車両の前方領域に投影して複数の照明領域を形成し、これらの照明領域を適宜組み合わせることで所要の照明領域を形成している。しかし、投影レンズの球面収差、特に色収差により、複数の照明領域ないしは複数の照明領域が合成された照明領域の周縁部に赤青緑等の分散光が発現することがある。このような分散光が発生すると、自車両の前方領域の視認性が低下されるおそれがあり、また配光品質の低下も生じるおそれがある。

特許文献１には、このような色収差を改善するために、凸レンズと凹レンズからなるダブレットレンズを採用し、これら凸レンズと凹レンズとの間に間隙を設けた投影レンズが提案されている。また、凸レンズと凹レンズの各面を非球面で構成した投影レンズも提案されている。しかし、この投影レンズは、凸レンズと凹レンズがそれぞれ厚いレンズで構成されるとともに、両レンズの間に間隙を設けるため、投影レンズとしての光軸方向の寸法が大きくなり、結果としてヘッドランプの光軸方向の寸法も大きくなって、ヘッドランプの小型化及び薄型化に不利になる。

一方、特許文献２には、凸レンズの薄型化を図るためにフレネルレンズを採用するとともに、その色収差を低減するためにフレネルレンズに第２のレンズを貼り合わせ、しかも他方の面を平面に構成した技術が提案されている。

特開２０１５－２２２６８７号公報 特開２００９－４７７３２号公報

特許文献２の技術は、薄型化を図る上では有利であるが、色収差の点では必ずしも満足するものではない。すなわち、特許文献２の図４（Ｃ），（Ｅ）にそれぞれフレネルレンズに第２のレンズを貼り合わせた実施形態が記載されているが、図４（Ｃ）のレンズの集光特性は、図５（Ｃ）に示すように、特定の光軸方向位置においては有効であるが、他の光軸方向位置においては色収差が改善されていない。一方、図４（Ｅ）のレンズについては、その集光特性が開示されておらず、色収差の改善効果は不明である。

特許文献２からは、図５（Ｄ）の集光特性からも判るように、図４（Ｄ）のレンズ、すなわち第２のレンズを貼り合わせていないフレネルレンズの方が色収差に優れていると言える。このことから、特許文献２のように、片方の面が平面のフレネルレンズの場合には、必ずしも貼り合わせレンズが色収差に有効であるとは言えないことが判る。

本発明の目的は、投影レンズの薄型化を図るとともに色収差を低減した車両用灯具を提供するものである。

本発明の車両用灯具は、光源と、光源から出射した光を投影する投影レンズを含んでおり、前記投影レンズは正の屈折力を有する第１レンズと、負の屈折力を有する第２レンズを接合したダブレットレンズで構成されており、前記第１レンズと第２レンズの接合面は色収差の低減に有効な非球面をフレネル化したフレネル面に構成され、前記第１レンズ及び前記第２レンズの他の面は色収差の低減に有効な非球面に構成されており、光源は、当該光源の端部から出射されて投影レンズの主点に入射される光の入射角が投影レンズのレンズ光軸に対して２°～７°となるように設定されている。

本発明の車両用灯具の好ましい形態として、前記光源は複数の発光素子で構成され、各発光素子から出射される光を前記投影レンズで投影してそれぞれ対応する複数の照明領域を形成する。また、前記複数の発光素子を個別に発光制御してＡＤＢ配光制御を行う。

本発明によれば、第１レンズと第２レンズの接合面が平面に近いフレネル面であるので、両レンズを貼り合わせた投影レンズのレンズ光軸方向の厚さ寸法を低減して薄型化を図るとともに、両レンズの他の面は色収差を解消するのに有効な曲面で形成したダブレットレンズとして構成でき、色収差を低減することができる。

本発明を適用したヘッドランプの概略縦断面図。 投影レンズの前方から見た透視的な概略図。 投影レンズの設計手法を説明する断面図。 凸レンズと凹レンズの各面の設計式と設計値。 ＬＥＤチップから出射される光を合成した配光パターン図。 倍率色収差を説明する概念図。 実施形態のレンズと比較レンズのスポット半径の測定値を示すグラフ。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明をＡＤＢ配光制御を適用した自動車のヘッドランプＨＬに適用した概念構成の縦断面図である。なお、以後の説明において、前又は後についてはヘッドランプにおける光源側を後、ヘッドランプの前方側を前と称する。

前記ヘッドランプＨＬは、ランプボディ１１と、透光性材料からなる前面カバー１２とで形成されているランプハウジング１内にランプユニット２が内装されている。このランプユニット２は、内面が光反射面として形成されたユニットケーシング２１に内装かつ支持された光源３と投影レンズ４を有しており、光源３から出射した光を投影レンズ４により自動車の前方領域に照射して所望の配光を得るように構成されている。

図２は前記投影レンズ４を前方から見たときの透視的な概略図であり、図１にも示したように、前記光源３はヒートシンク３２に支持されている基板３１に複数個の発光素子３０、ここでは９個の白色光を発光するＬＥＤ（発光ダイオード）チップ３０１～３０９が搭載されている。これらのＬＥＤチップ３０１～３０９は、上下二段に、すなわち上段には４個のＬＥＤチップ３０１～３０４が、下段には５個のＬＥＤチップ３０５～３０９がそれぞれ水平方向に配列された状態で搭載されている。これらのＬＥＤチップ３０１～３０９が発光したときに、それぞれから出射される光は直接、あるいは前記ユニットケーシング２１の内面で反射されて投影レンズ４に向けられる。

図１に示したように、前記ＬＥＤチップ３０１～３０９は基板３１を通して発光回路５に接続されており、この発光回路５によって個別に発光、消光、さらには発光光度が変化できるように制御される。前記発光回路５には運転者が操作する照明スイッチ５１が接続されており、この照明スイッチ５１により、ロービーム配光、ハイビーム配光、ＡＤＢ配光が切り替え設定できるように構成されている。また、この発光回路５はＡＤＢ制御を実行するための車載カメラ５２が接続されており、当該車載カメラ５２で撮像した自動車の前方画像から前方車両を検出し、当該前方車両を眩惑しない配光制御を実行するように構成されている。

前記投影レンズ４は、ランプ前側に配置された正の屈折力のレンズ、すなわち凸レンズ４１と、光源側に配置された負の屈折力のレンズ、すなわち凹レンズ４２を貼り合わせたダブレットレンズとして構成されている。この凸レンズ４１は本発明における第１レンズに相当し、凹レンズ４２は本発明における第２レンズに相当する。そして、この投影レンズ４のランプ後側の焦点Ｆｏの近傍に前記光源３、すなわち前記各ＬＥＤチップ３０１～３０９が配設されている。

前記投影レンズ４を構成している凸レンズ４１と凹レンズ４２は樹脂あるいはガラス等の透光材料で構成されているが、凸レンズ４１は凹レンズ４２よりも低屈折率で低分散（高アッベ数）の透光材料で形成されている。例えば、凸レンズ４１はクラウンガラスで形成され、凹レンズ４２はフリントガラスで形成される。あるいは、凸レンズ４１はＰＭＭＡ（アクリル樹脂)で形成され、凹レンズ４２はポリカーボネート樹脂で形成される。

また、前記凸レンズ４１の前面と、前記凹レンズ４２の後面は球面あるいは自由曲面、ここでは非球面に形成されているが、前記凸レンズ４１の後面と前記凹レンズ４２の前面は所定のフレネルステップが形成されたフレネル面として構成され、両者は互いに密接されて、あるいは透光性の接着剤により貼り合わされている。なお、本発明においてはこれらの密接した状態及び接着した状態を含めて接合と称する。

前記フレネル面について説明する。前記投影レンズ４の設計に際しては、図３（ａ）に示すように、凸レンズ４１Ａ及び凹レンズ４２Ａを貼り合わせてダブレットレンズを構成した場合に、色収差が最も少なくなる原投影レンズ４Ａを設計する。すなわち、この原投影レンズ４Ａを構成する原凸レンズ４１Ａと原凹レンズ４２Ａを設計する。ここでは、原凸レンズ４１Ａは両面が凸状の両凸レンズであり、原凹レンズ４２Ａは両面が凹状の凹レンズである。

色収差を低減するために、原凸レンズ４１Ａの前面（第１面）Ｓ１と後面（第２面）Ｓ２を設計し、また原凹レンズ４２Ａの前面と後面（第３面）Ｓ３を設計する。なお、この原凹レンズ４２Ａの前面は、接合される原凸レンズ４１Ａの後面（第２面）Ｓ２と同じである。これら原凸レンズ４１Ａと原凹レンズ４２Ａの各面、すなわち前記第１面Ｓ１～第３面Ｓ３は、例えば図４に示す非球面定義式（１）に基づいて設計される。ここで、ｚはサグ量、ｒは光軸からの径方向寸法、Ｒは曲率半径、ｋはコーニック定数、α_１～α_２は非球面係数である。

しかる上で、図３（ｂ）に示すように、原凸レンズ４１Ａの後面（第２面）Ｓ２を同心円状に区画し、区画した各領域を光軸にほぼ直交する平面上に配列することにより、当該後面と同じ光の屈折を行うことが可能な平面に近い面、すなわち光学的に等価なフレネル面として形成し、屈折フレネル型の凸レンズ４１を形成する。また、原凹レンズ４２Ａの前面は当該凸レンズ４１の後面（第２面）Ｓ２と同じ非球面であるので、当該前面の凹凸が反転されたフレネル面として形成された凹レンズ４２を形成する。そして、これら凸レンズ４１の後面のフレネル面と、凹レンズ４２の前面のフレネル面を密着させるように透光性接着剤で貼り合わせることにより両レンズが接合され、前記した投影レンズ４が形成される。

この投影レンズ４は、凸レンズ４１の後面がフレネル面として構成されているので、そのレンズ厚は原凸レンズ４１Ａに比較して低減される。一方、凹レンズ４２は前面がフレネル面として構成されているが、レンズ光軸Ｌｘ上におけるレンズ厚は原凹レンズ４２Ａとほぼ同じである。したがって、両レンズ４１，４２を接合した投影レンズ４のレンズ厚さＴ１は、原凸レンズと原凹レンズを接合した原投影レンズ４Ａのレンズ厚さＴ２よりも低減され、薄型化される。

以上の構成の投影レンズ４を備える実施形態のヘッドランプＨＬでは、運転者によるランプスイッチ５１の切替え等によってロービーム配光制御あるいはハイビーム配光制御に設定される。ロービーム配光制御のときには、発光回路５での制御により上段の４つのＬＥＤチップ３０１～３０４が発光される。これらのＬＥＤチップ３０１～３０４から出射された白色光は投影レンズ４により自動車の前方領域に照射され、図５において、照明領域Ｐ１～Ｐ４が合成された配光、すなわちレンズ光軸Ｌｘを通る水平線Ｈにほぼ沿ったカットオフラインよりも下側領域を照明するロービーム配光が形成される。

ハイビーム配光制御のときには、発光回路５での制御によりさらに下段の５つのＬＥＤチップ３０５～３０９が発光される。これらＬＥＤチップ３０５～３０９の白色光は投影レンズ４により自動車の前方領域に照射され、照明領域Ｐ５～Ｐ９が合成された配光となる。この配光はさらに前記したロービーム配光Ｐ１～Ｐ４と合成され、広い領域を照明するハイビーム配光が形成される。

一方、運転者によってＡＤＢ配光制御に設定されたときには、発光回路５は原則としてハイビーム配光の制御を行うとともに、車載カメラ５２で撮像した画像に基づいて自動車の前方領域に存在する前方車両を検出する。そして、検出した前方車両と重なる照明領域、特に照明領域Ｐ５～Ｐ９と重なる領域に対応したＬＥＤチップを減光あるいは消光するように制御する。これにより、前方車両が属する照明領域が選択的に遮光されて前方車両に対する眩惑を防止する一方で、他の照明領域での視認性を高めたＡＤＢ配光が実行される。

このように、実施形態のヘッドランプＨＬでは、投影レンズ４は、凸レンズ４１と凹レンズ４２を接合した面がフレネル面で構成されているので、レンズ光軸方向に沿った寸法が低減され、ランプユニット２の薄型化、ないしはヘッドランプＨＬの薄型化が実現できる。また、凸レンズ４１と凹レンズ４２は接合された１つの投影レンズ４として取り扱うことができるので、特許文献１のように両レンズが独立している場合に比較してヘッドランプの組立作業が容易であり、かつ両レンズ４１，４２のレンズ光軸のずれに伴う光学的特性の低下も防止できる。

一方、投影レンズ４の凸レンズ４１と凹レンズ４２の接合面がフレネル面で構成されていても、このフレネル面は光学的には原凸レンズ４１Ａの後面及び原凹レンズ４２Ａの前面と同じ非球面として機能するため、投影レンズ４を透過する光は原投影レンズ４Ａと同等の球面収差の低減効果、特に色収差の低減効果が得られる。

ここで、光源３としてのＬＥＤチップ３０１～３０９（以下、ＬＥＤチップ３０１で代表する）は、通常では対角寸法が６ｍｍ程度のものが一般に用いられる。この寸法のＬＥＤチップでは、その中心をレンズ光軸Ｌｘに配置し、投影レンズ４の焦点距離ｆを５７ｍｍとした場合、ＬＥＤチップ３０１の角部から出射される光は、レンズ光軸Ｌｘに対して約３°の入射角θで投影レンズ４に入射される。ＬＥＤチップ３０１は、これよりも対角寸法が小さいものや大きいものがあるので、入射角θにすれば２～７°程度の範囲になる。

一般に、投影レンズに色収差が生じる場合、レンズ光軸上において軸上色収差が生じるとともに、レンズ光軸Ｌｘに対して斜めに入射する光による倍率色収差も生じる。この倍率色収差は、投影レンズに入射する光の入射角θが大きくなるのに従って顕著になる。また、投影レンズに入射する光の入射角θが大きくなって倍率色収差が顕著になると、これに伴って集光される光のスポット半径が大きくなる。そのため、本発明のようなランプユニット２の場合には、図５に示した各照明領域Ｐ１～Ｐ９の斜線を付した周辺部、特にレンズ光軸Ｌｘから離れた辺部において倍率色収差の影響による視認性の低下や配光品質の低下が目立つようになる。

そこで、このような投影レンズにおける倍率色収差を検証するために、ヘッドランプの前方から投影レンズに平行光束を入射したときに、投影レンズの後側の焦点位置に集光される光のスポット半径を測定した。すなわち、図６の投影レンズ４の左側から平行光束を入射し、右側の焦点位置Ｆｏに集光される光のスポット半径を測定した。

図７は測定結果であり、入射角θが変化したときのスポット半径の変化を示している。ここでは、比較レンズとして特許文献２の図５（Ｃ）のように、両面が平面のフレネル貼り合わせレンズについても測定した。この結果から、比較レンズでは入射角θの増大に伴ってスポット半径が著しく増加しているのに対し、実施形態の投影レンズ４ではスポット半径の増加は少ないことが判る。すなわち、実施形態の投影レンズ４の倍率色収差が抑制されていることが判る。

実際のヘッドランプでは、図２に示したように、複数個のＬＥＤチップ３０１～３０９をレンズ光軸Ｌｘから外れた位置に配置することが多いため、前記した入射角θはさらに大きくなることがある。この場合でも、図７の測定結果から、実施形態の投影レンズ４における倍率色収差が抑制されることが推測される。

なお、実施形態の投影レンズ４においては、フレネル面を構成している複数のフレネルステップの谷部や山部において光の回折が生じることがあるが、回折による色収差は屈折による色収差と相反する。例えば、レンズ光軸上において、回折による軸上色収差の集光点はレンズ側から赤、緑、青であるのに対し、屈折による軸上色収差の集光点はレンズ側から青、緑、赤である。したがって、この点からもフレネル面でレンズを接合することで両色収差を相殺して低減することも期待できる。

以上説明した実施形態では、凸レンズと凹レンズの各面を非球面に設計した例を説明したが、いずれかの面、あるいは全面が球面に設計されている場合にも本発明を適用することができる。また、凹レンズは両面が同じ方向に湾曲しているメニスカスレンズの場合でも本発明を適用することができる。

本実施形態は光源を９個のＬＥＤチップで構成してＡＤＢ配光を形成した例を示したが、このＡＤＢ配光に限られるものではなく、ＬＥＤチップの個数や照明領域の個数、さらには個々の照明領域のパターン形状は任意に設定することができる。また、光源として、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）ミラーアレイを用いたヘッドランプに適用することもできる。

ＨＬ ヘッドランプ
１ ランプハウジング
２ ランプユニット
３ 光源
４ 投影レンズ
４Ａ 原投影レンズ
５ 発光回路
４１ 凸レンズ（第１レンズ）
４２ 凹レンズ（第２レンズ）
３０１～３０９ ＬＥＤチップ（発光素子）
Ｓ１ 第１面
Ｓ２ 第２面（フレネル面）
Ｓ３ 第３面

Claims (5)

1. 光源と、光源から出射した光を投影する投影レンズを含む車両用灯具であって、前記投影レンズは正の屈折力を有する第１レンズと、負の屈折力を有する第２レンズを接合したダブレットレンズで構成され、前記第１レンズと第２レンズの接合面は色収差の低減に有効な非球面をフレネル化したフレネル面に構成され、前記第１レンズ及び前記第２レンズの他の面は色収差の低減に有効な非球面に構成されており、前記光源は、当該光源の端部から出射されて前記投影レンズの主点に入射される光の入射角が当該投影レンズのレンズ光軸に対して２°～７°となるように設定されていることを特徴とする車両用灯具。
2. 前記第１レンズは前記第２レンズよりも低分散の透光材料で構成される請求項１に記載の車両用灯具。
3. 前記第２レンズが前記光源側に配置されている請求項２に記載の車両用灯具。
4. 前記光源は複数の発光素子で構成され、各発光素子から出射される光を前記投影レンズで投影してそれぞれ対応する複数の照明領域を形成する請求項１ないし３のいずれかに記載の車両用灯具。
5. 前記複数の発光素子を個別に発光制御してＡＤＢ配光制御を行う請求項４に記載の車両用灯具。

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