JP7357064B2 - レンズおよび灯具 - Google Patents

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Description

本発明は、レンズに関する。
近年、光源から出射した光を車両前方に反射し、その反射光で車両前方の領域を走査することで所定の配光パターンを形成する装置が考案されている。例えば、光源から出射した光を反射しながら回転軸を中心に一方向に回転する回転リフレクタと、発光素子からなる光源と、を備え、回転リフレクタは、回転しながら反射した光源の光が所望の配光パターンを形成するよう反射面が設けられている光学ユニットが知られている(特許文献1参照)。
この光学ユニットは、第1の光源と、第2の光源と、第1の光源から出射した第1の光を反射しながら回転軸を中心に回転する回転リフレクタと、回転リフレクタで反射された第1の光を光学ユニットの光照射方向に投影する投影レンズと、を備える。第2の光源は、出射した第2の光が回転リフレクタで反射されずに投影レンズに入射するように配置されており、投影レンズは、第2の光を光学ユニットの光照射方向に投影する。
特開2018-67523号公報
ところで、前述の光学ユニットが有する第1の光源は、アレイ状に配列された複数の発光モジュールを備えており、各発光モジュールの発光面側には、各発光面に対応する複数のレンズ部からなる集光用レンズが配置されている。また、前述の光学ユニットが形成する集光配光パターンは、集光用レンズの発光面(光出射面)のパターンに対応しているため、照射領域を広げるためには集光用レンズの発光面自体を広げる必要がある。また、集光用レンズの発光面の形状によっては、配光パターンの一部にムラが生じる可能性もある。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、高品質な配光パターンを実現できる新たな光学部材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レンズは、灯具に用いられるレンズであって、レンズは、複数の光制御面に分割された出射面を有する。出射面は、複数の光制御面のうち複数の第1の光制御面が所定方向に配列されている第1の出射領域と、第1の出射領域と並んで、複数の光制御面のうち複数の第2の光制御面が所定方向に配列されている第2の出射領域と、を有する。隣接する第1の光制御面同士の境界と、隣接する第2の光制御面同士の境界とが、所定方向においてずれるように構成されている。
この態様によると、隣接する第1の光制御面同士の境界と、隣接する第2の光制御面同士の境界とが、途切れずに直線的に並ばない。したがって、仮に、隣接する光制御面同士の境界の形状に起因して、発光領域の像に暗部(光ムラ)が生じたとしても、一つの暗部が像の端から端まで横切らなくなる。
発光素子と、発光素子から出射した光が入射するレンズと、レンズを透過した光を反射しながら回転軸を中心に回転する回転リフレクタと、を備えてもよい。回転リフレクタは、第1の出射領域および第2の出射領域の発光パターンを反射し走査することで配光パターンの少なくとも一部を形成してもよい。これにより、配光パターンに生じる筋状の暗部を低減できる。
回転リフレクタは、第1の光制御面および第2の光制御面が配列されている所定方向に対して交差する方向に発光パターンを走査するように構成されていてもよい。
複数の光制御面のうち少なくとも一つは、対応する発光素子の発光面の正面に位置する第3の光制御面であり、第3の光制御面は、第1の光制御面および第2の光制御面の両方と隣接していてもよい。これにより、発光素子の発光面の正面に位置する第3の光制御面以外の、照射領域を広げるために設けられた第1の光制御面や第2の光制御面があっても、配光パターンにおけるムラを目立たなくできる。
第1の光制御面および第2の光制御面は、発光面から斜めに出射した光がレンズに入射し正面に向けて出射することで該レンズの発光領域を拡張するように構成されていてもよい。これにより、照射領域を広げるために表面の凹凸が不連続な第1の光制御面や第2の光制御面を設けた場合であっても、配光パターンにおけるムラを目立たなくできる。
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、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、高品質な配光パターンを実現できる。
本実施の形態に係る車両用前照灯の水平断面概要図である。 本実施の形態に係る車両用前照灯の正面図である。 本実施の形態に係る回路基板の上面図である。 本実施の形態に係る光学部材の斜視図である。 本実施の形態に係る光学部材の正面図である。 本実施の形態に係る光学部材の背面図である。 図5に示す光学部材をB方向から見た側面図である。 図8(a)は、図5に示す光学部材をC方向から見た側面図、図8(b)は、図5に示す光学部材をD方向から見た側面図である。 図5に示す光学部材のE-E断面図である。 図10(a)は、本実施の形態に係る第1の光源の発光領域が回転リフレクタが静止した状態で反射投影された照射範囲を示す模式図、図10(b)は、本実施の形態に係る光学ユニットにより形成された配光パターンの模式図である。 図11(a)は、集光用レンズの上面図、図11(b)は、集光用レンズの発光領域が回転リフレクタが静止した状態で反射投影された配光パターンを示す模式図、図11(c)は、集光用レンズを有する光学ユニットにより形成された配光パターンの模式図である。 図12(a)は、実施例に係る集光用レンズの上面図、図12(b)は、集光用レンズの発光領域が回転リフレクタが静止した状態で反射投影された配光パターンを示す模式図、図12(c)は、集光用レンズを有する光学ユニットにより形成された配光パターンの模式図である。
以下、本発明を実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述される全ての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
本実施の形態に係るレンズユニットを有する光学ユニットは、種々の車両用灯具に用いることができる。はじめに、後述する実施の形態に係る光学ユニットを搭載可能な車両用前照灯の概略について説明する。
(車両用前照灯)
図1は、本実施の形態に係る車両用前照灯の水平断面概要図である。図2は、本実施の形態に係る車両用前照灯の正面図である。なお、図2においては、一部の部品を省略してある。
本実施の形態に係る車両用前照灯10は、自動車の前端部の右側に搭載される右側前照灯であり、左側に搭載される前照灯と左右対称である以外は同じ構造である。そのため、以下では、右側の車両用前照灯10について詳述し、左側の車両用前照灯については説明を省略する。
図1に示すように、車両用前照灯10は、前方に向かって開口した凹部を有するランプボディ12を備えている。ランプボディ12は、その前面開口が透明な前面カバー14によって覆われて灯室16が形成されている。灯室16は、一つの光学ユニット18が収容される空間として機能する。光学ユニット18は、可変ハイビームを照射できるように構成されたランプユニットである。可変ハイビームとは、ハイビーム用の配光パターンの形状を変化させるように制御されているものをいい、例えば、配光パターンの一部に非照射領域(遮光部)を生じさせることができる。ここで、配光パターンとは、例えば、灯具が灯具前方25~50mに設置したスクリーン(仮想スクリーン)上に形成する照射領域である。
光学ユニット18は、第1の光源20と、第1の光源20から出射した第1の光L1の光路を変化させて回転リフレクタ22のブレード22aに向かわせる1次光学系(光学部材)としての集光用レンズ24と、第1の光L1を反射しながら回転軸Rを中心に回転する回転リフレクタ22と、回転リフレクタ22で反射された第1の光L1を光学ユニットの光照射方向(図1右方向)に投影する投影レンズとしての凸レンズ26と、第1の光源20と凸レンズ26との間に配置された第2の光源28と、第2の光源28から出射した第2の光L2の光路を変化させて凸レンズ26に向かわせる1次光学系(光学部材)としての拡散用レンズ30と、第1の光源20および第2の光源28を搭載したヒートシンク32と、を備える。
各光源には、LED、EL、LDなどの半導体発光素子が用いられる。本実施の形態に係る第1の光源20は、回路基板33上に、複数のLED20aがアレイ状に配置されている。各LED20aは個別に点消灯可能に構成されている。
本実施の形態に係る第2の光源28は、2つのLED28aがアレイ状に水平方向に並んで配置されており、各LED28aは個別に点消灯可能に構成されている。また、第2の光源28は、第2の光L2が回転リフレクタ22で反射されずに凸レンズ26に入射するように配置されている。これにより、第2の光源28から出射した第2の光L2は、回転リフレクタ22で反射されることを考慮せずに光学特性を選択できる。そのため、例えば、第2の光源28から出射した光を拡散用レンズ30で拡散させてから凸レンズ26に入射させることで、より広い範囲を照射できるため、第2の光源28を車両外側の領域を照射する光源として用いることができる。
回転リフレクタ22は、モータ34などの駆動源により回転軸Rを中心に一方向に回転する。また、回転リフレクタ22は、形状の同じ2枚のブレード22aが筒状の回転部22bの周囲に設けられている。ブレード22aは、第1の光源20から出射した光を回転しながら反射した光で前方を走査し、所望の配光パターンを形成するように構成された反射面として機能する。
回転リフレクタ22の回転軸Rは、光軸Axに対して斜めになっており、光軸Axと第1の光源20とを含む平面内に設けられている。換言すると、回転軸Rは、回転によって左右方向に走査するLED20aの光(照射ビーム)の走査平面に略平行に設けられている。これにより、光学ユニットの薄型化が図られる。ここで、走査平面とは、例えば、走査光であるLED20aの光の軌跡を連続的につなげることで形成される扇形の平面ととらえることができる。
凸レンズ26の形状は、要求される配光パターンや照度分布などの配光特性に応じて適宜選択すればよいが、非球面レンズや自由曲面レンズを用いることも可能である。例えば、本実施の形態に係る凸レンズ26は、各光源や回転リフレクタ22の配置を工夫することで、外周の一部が鉛直方向に切り欠かれた切り欠き部26aを形成することが可能となっている。そのため、光学ユニット18の車幅方向の大きさを抑えることができる。
また、切り欠き部26aが存在することで、回転リフレクタ22のブレード22aが凸レンズ26に干渉しにくくなり、凸レンズ26と回転リフレクタ22とを近づけることができる。また、前方から車両用前照灯10を見た場合に、凸レンズ26の外周に非円形(直線)の部分が形成されていることで、車両の正面から見て曲線と直線を組み合わせた外形のレンズを有する斬新な意匠の車両用前照灯を実現できる。
(第1の光源)
次に、第1の光源が備える複数の半導体発光素子のレイアウトについて説明する。図3は、本実施の形態に係る回路基板の上面図である。本実施の形態に係る回路基板33は、ハイビーム用配光パターンのH-H線を含む領域を照らす8個のLED20a1(20a)と、H-H線より上方の領域を照らす2個のLED20a2(20a)と、が実装されている。なお、図3に示す上下前後の方向は、車両用前照灯10の光軸Ax方向を前方向としている。
(光学部材)
次に、光学部材について説明する。図4は、光学部材の斜視図である。図5は、光学部材の正面図である。図6は、光学部材の背面図である。図7は、図5に示す光学部材をB方向から見た側面図である。図8(a)は、図5に示す光学部材をC方向から見た側面図、図8(b)は、図5に示す光学部材をD方向から見た側面図である。なお、図5に示す上下前後の方向は、車両用前照灯10の光軸Ax方向を前方向としている。
光学部材40は、裏側24aから入射した光を制御して表側24bから出射する光学制御部としての集光用レンズ24と、集光用レンズ24に隣接する板状の基部42と、を有する。集光用レンズ24は、8個のLED20a1からそれぞれ出射した光に対応する8個のレンズ部24c1と、2個のLED20a2からそれぞれ出射した光に対応する2個のレンズ部24c2と、を有する。なお、光を制御するとは、例えば、ある所望のパターンや方向、領域へ光を向かわせることである。
本実施の形態に係るLED20aの発光面と集光用レンズ24の入射面との間隔は0.2~1mm程度、好ましくは、0.2~0.5mm程度である。また、基部42の厚みは1mm~5mm程度であり、好ましくは、2~3mm程度である。また、ドーム状のレンズ部24c2の直径は2~4mm程度である。
ここで、光学部材40におけるレンズ部24c1,24c2は、透過する光を屈折することで集光する形状である。レンズ部24c1は、裏側24aおよび表側24bのいずれも凸状になっている。また、レンズ部24c2は、後述する拡張レンズ部24c3を有する。また、光学制御部は、例えば、LED20aから出射した光が透過して出射する表側24bの表面領域が擬似的な光源の発光面として機能する。
光学部材40は、透明な材料で構成された射出成形品であり、例えば、耐熱シリコーン、アクリル、ポリカーボネート、ガラス等を用いることができる。好ましくは、耐熱性の観点から耐熱シリコーン(耐熱温度180℃以上)やガラスが用いられる。また、光学部材の形状の設計自由度の観点では、型からの無理抜きが比較的容易な耐熱シリコーンがより好ましい。これにより、ある程度複雑な形状の光学部材であっても簡易な型構成や製造方法で製造できる。
(拡張レンズ部)
図9は、図5に示す光学部材のE-E断面図である。光学ユニット18は、複数のLED20a1,20a2がアレイ状に配列されている第1の光源20と、複数のLED20a1,20a2のそれぞれに対応する複数のレンズ部24c1,24c2を有し、第1の光源20から出射した光を集光する光学部材40と、光学部材40を透過した光を光学ユニットの光照射方向に配光パターンとして投影する凸レンズ26と、を備える。
光学部材40が備える複数のレンズのうち少なくとも一つは、対応するLED20a2の発光面の正面に位置する集光用のレンズ部24c2と、発光面から斜めに出射した光L1’が入射しレンズの正面に向けて出射することでレンズの発光領域を拡張する拡張レンズ部24c3を有する。図9に示すように、拡張レンズ部24c3は、フレネルレンズ化されている。これにより、拡張レンズ部24c3を薄くできる。フレネルレンズ化された拡張レンズ部24c3は、正面視において縦が3~5mm、横が3~5mm、側面視において高さが3~5mm程度である。
(配光パターン)
図10(a)は、本実施の形態に係る第1の光源の発光領域が回転リフレクタが静止した状態で反射投影された照射範囲を示す模式図、図10(b)は、光学ユニットにより形成された配光パターンの模式図である。
光学ユニット18は、回転リフレクタ22の回転が停止した状態で第1の光源20のLED20aを全て点灯させると、集光用レンズ24の8個のレンズ部24c1と2個のレンズ部24c2の表面が発光領域となる。そして、静止した回転リフレクタ22の表面で発光領域の像が反射され、凸レンズ26を介して前方に投影される(図10(a)参照)。
光学ユニット18においては、8個のレンズ部24c1から出射されたそれぞれの光が、H-H線上に8個の矩形の照射領域R1を形成する。また、レンズ部24c2および拡張レンズ部24c3から出射されたそれぞれの光が、照射領域R1の上方に2個の矩形の照射領域R2を形成する。拡張レンズ部24c3は、レンズ部24c2の発光領域を鉛直方向に広げているため、照射領域R2は、鉛直方向が長い矩形の領域となっている。
また、仮にレンズ部24cしかない集光用レンズ24の場合、車両前方のスクリーン上において、鉛直方向が+4°程度までの範囲しか照射できない。一方、における拡張レンズ部24c3を有する集光用レンズ24の場合、車両前方のスクリーン上において、鉛直方向が+6°程度までの範囲を照射できる。このように、光学ユニット18は、拡張レンズ部24c3によりレンズ部24c2の発光領域が鉛直方向に拡張されているため、照射領域を広げることができる。
そして、回転リフレクタ22が回転すると、照射領域R1,R2が左右方向に走査され、それぞれ部分配光パターンP1,P2が形成される。本実施の形態では、部分配光パターンP1,P2が重畳されることでハイビーム用配光パターンPHが形成される。
このように、本実施の形態に係る回転リフレクタ22は、集光用レンズ24の発光領域のパターンを反射し走査することでハイビーム用配光パターンPHの一部または全部を形成する。
光学ユニット18は、集光用レンズ24の発光領域のうち拡張レンズ部24c3に相当する部分(領域R2’)のパターンを反射し走査することでハイビーム用配光パターンPHの上部領域P2’を形成する。これにより、ハイビーム用配光パターンPHの鉛直方向の照射領域をより広げることができる。
なお、光学部材40は、凸レンズ26の焦点近傍に、集光用レンズ24の発光領域の回転リフレクタ22による虚像が位置するように構成されている。あるいは、光学部材40は、凸レンズ26の焦点近傍に、集光用レンズ24の発光領域が位置するように構成されていてもよい。これにより、集光用レンズ24の発光領域が光源として凸レンズ26の前方に投影される。
(参考例)
図11(a)は、集光用レンズ24の上面図、図11(b)は、集光用レンズ24の発光領域が回転リフレクタが静止した状態で反射投影された配光パターンを示す模式図、図11(c)は、集光用レンズ24を有する光学ユニットにより形成された配光パターンの模式図である。
図11(a)に示すように、集光用レンズ24は、発光面から斜めに出射した光L1’が入射しレンズの正面に向けて出射することでレンズの発光領域を拡張する拡張レンズ部24c3を有している。しかしながら、この拡張レンズ部24c3は、レンズ自体を薄くするためにフレネルレンズ化された3つの光制御面を有する。そのため、拡張レンズ部24c3の出射面が凸凹しており、隣接する光制御面同士の間に明瞭な境界が存在する。
そのため、図11(b)に示すように、集光用レンズ24の発光領域の像の一部に、像の端から端まで連続した暗部(光ムラ)が生じる。その結果、図11(c)に示すように、図11(b)に示す発光領域の像を走査した配光パターンにも筋状の暗部が生じてしまうため、高品質な配光パターンの実現という観点からは更なる改良が必要である。
(実施例)
図12(a)は、実施例に係る集光用レンズ50の上面図、図12(b)は、集光用レンズ50の発光領域が回転リフレクタが静止した状態で反射投影された配光パターンを示す模式図、図12(c)は、集光用レンズ50を有する光学ユニットにより形成された配光パターンの模式図である。
実施例に係る集光用レンズ50は、複数の光制御面に分割された出射面52を有する。具体的には、出射面52は、複数の第1の光制御面54aが所定方向Xに配列されている第1の出射領域54と、第1の出射領域54と並んで、複数の第2の光制御面56aが所定方向Xに配列されている第2の出射領域56と、を有する。隣接する第1の光制御面54a同士の境界B1と、隣接する第2の光制御面56a同士の境界B2とが、所定方向Xにおいてずれるように構成されている。
これにより、隣接する第1の光制御面54a同士の境界B1と、隣接する第2の光制御面56a同士の境界B2とが、途切れずに直線的に並ばない。したがって、仮に、隣接する光制御面同士の境界の形状(特に不連続な形状)に起因して、図12(b)に示すような発光領域の像に暗部(光ムラ)が生じたとしても、一つの暗部が像の端から端まで連続的に横切らなくなる。
また、本実施例に係る車両用前照灯10は、LED20aと、LED20aから出射した光が入射する集光用レンズ50と、集光用レンズ50を透過した光を反射しながら回転軸を中心に回転する回転リフレクタ22と、を備えてもよい。回転リフレクタ22は、第1の出射領域54および第2の出射領域56の発光パターンを反射し走査することで配光パターンの少なくとも一部を形成する。これにより、図12(c)に示すように、配光パターンに生じる筋状の暗部(図11(c)参照)を低減できる。
また、本実施の形態に係る回転リフレクタ22は、図12(b)に示す第1の光制御面54aおよび第2の光制御面56aが配列されている所定方向Xに対して交差する方向Yに発光パターンを走査するように構成されているとよい。
また、実施例に係る集光用レンズ50は、複数の光制御面のうち少なくとも一つは、対応するLED20aの発光面の正面に位置するドーム状の第3の光制御面58であり、第3の光制御面58は、第1の光制御面54aおよび第2の光制御面56aの両方と隣接している。これにより、LED20aの発光面の正面に位置する第3の光制御面58以外の、照射領域を広げるために設けられた第1の光制御面54aや第2の光制御面56aがあっても、配光パターンにおけるムラを目立たなくできる。
また、本実施例に係る集光用レンズ50において、第1の光制御面54aおよび第2の光制御面56aは、前述の拡張レンズ部24c3と同様に、発光面から斜めに出射した光がレンズに入射し正面に向けて出射することで該レンズの発光領域を拡張するように構成されている。これにより、照射領域を広げるために表面の凹凸が不連続な第1の光制御面54aや第2の光制御面56aを設けた場合であっても、配光パターンにおけるムラを目立たなくできる。
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、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。
上述の実施の形態では、ブレード22aを有する回転リフレクタ22を用いているが、回転リフレクタ22の代わりにポリゴンミラーを用いてもよい。あるいは、回転リフレクタ22の代わりにMEMSミラー(共振ミラー)を用いてもよい。あるいは、回転リフレクタ22の代わりに、多数の可動式の微小鏡面(マイクロミラー)がマトリックス状に配列されたDMD(Digital Micromirror Device)を用いてもよい。
また、上述の実施の形態では、発光素子が複数ある光源と、第1のレンズが複数ある光学部材との組み合わせについて説明しているが、発光素子が一つである光源と、第1のレンズが一つである光学部材との組み合わせであってもよい。この態様によっても、拡張レンズ部24c3により第1のレンズの発光領域が拡張するため、配光パターンの照射領域を広げることができる。
本発明は、車両用灯具に利用できる。
B1,B2 境界、 10 車両用前照灯、 18 光学ユニット、 20 第1の光源、 20a LED、 22 回転リフレクタ、 24 集光用レンズ、 25 灯具前方、 26 凸レンズ、 28 第2の光源、 28a LED、 30 拡散用レンズ、 33 回路基板、 40 光学部材、 50 集光用レンズ、 52 出射面、 54 第1の出射領域、 54a 第1の光制御面、 56 第2の出射領域、 56a 第2の光制御面、 58 第3の光制御面。

Claims (5)

  1. 灯具に用いられるレンズであって、
    前記レンズは、複数の光制御面に分割された出射面を有し、
    前記出射面は、
    前記複数の光制御面のうち複数の第1の光制御面が所定方向に配列されている第1の出射領域と、
    前記第1の出射領域と並んで、前記複数の光制御面のうち複数の第2の光制御面が所定方向に配列されている第2の出射領域と、を有し、
    隣接する前記第1の光制御面同士の境界と、隣接する前記第2の光制御面同士の境界とが、前記所定方向においてずれるように構成されていることを特徴とするレンズ。
  2. 発光素子と、
    前記発光素子から出射した光が入射する請求項1に記載のレンズと、
    前記レンズを透過した光を反射しながら回転軸を中心に回転する回転リフレクタと、を備え、
    前記回転リフレクタは、前記第1の出射領域および前記第2の出射領域の発光パターンを反射し走査することで配光パターンの少なくとも一部を形成することを特徴とする灯具。
  3. 前記回転リフレクタは、前記第1の光制御面および前記第2の光制御面が配列されている前記所定方向に対して交差する方向に前記発光パターンを走査するように構成されていることを特徴とする請求項2に記載の灯具。
  4. 前記複数の光制御面のうち少なくとも一つは、対応する前記発光素子の発光面の正面に位置する第3の光制御面であり、
    前記第3の光制御面は、前記第1の光制御面および前記第2の光制御面の両方と隣接していることを特徴とする請求項2または3に記載の灯具。
  5. 前記第1の光制御面および前記第2の光制御面は、前記発光面から斜めに出射した光が前記レンズに入射し正面に向けて出射することで該レンズの発光領域を拡張するように構成されていることを特徴とする請求項4に記載の灯具。
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