JPS6145321B2

JPS6145321B2 -

Info

Publication number: JPS6145321B2
Application number: JP54155558A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Nakada
Original assignee: Ichikoh Industries Ltd
Current assignee: Ichikoh Industries Ltd
Priority date: 1979-12-03
Filing date: 1979-12-03
Publication date: 1986-10-07
Also published as: JPS5679801A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は車輛用前照灯に関する。特に、前面の
レンズと、光源と、該光源の光をレンズ方向に反
射させるリフレクタとを備えてなる自動車用前照
灯に関する。

この種のものは、レンズの裏面に各種プリズム
を形成してこのプリズムにより出射光を制御し、
もつて所望の照射をなし得るように構成されるの
が一般的である。しかし従来技術においては、所
望の配光に対してゆがみが生じ、一部に配光むら
が生じてダークゾーンが出来ることがある。例え
ば、自動車用前照灯であつて、レンズ裏面に円柱
面から成るプリズムを形成するとともに、該レン
ズの表面が傾斜しているものは、その配光が水平
方向の両端部においてたれ下る傾向がある。すな
わち、本来は水平方向の配向パターンが第１図の
如く均一であるべきなのに対し、レンズ表面が傾
斜していると配向は第２図に実線で示したような
パターンになつて、図示Ａ部に光が到達しなくな
り、ここがダークゾーンになる。

この点について更に詳しく説明すると以下のと
おりである。第３図は一般的な灯具の例であつ
て、前面レンズ１と、光源２と、光源２の光をレ
ンズ１の方向に反射するリフレクタ３とを備え、
かつ車体に装着した場合レンズ１はその表面が傾
斜して配設されている。リフレクタ３は光源２の
光を前方への略平行光線となすべく回転放物面ま
たはそれに近似した面を有しており、その焦点近
傍に光源２が配設されている。レンズ１の裏面に
は円柱形のプリズム４が形成されている。

このように構成すると、光源２から出射してリ
フレクタ３に反射された光は前方へ略々平行光線
としてレンズ１に入射し、プリズム４により制御
され、屈折してレンズ１を通過して出射する。こ
の出射光をスクリーン上に映し出すことにより配
光パターンを知ることができる。従来例にあつて
は、このプリズム４としてほぼ垂直方向に形成さ
れた円柱プリズムを使用し、横拡散させて配光パ
ターンを作つており、第４図の如くレンズ１が傾
斜していない時は配光は問題なく左右に広がつて
第１図のような適正なパターンが得られるがレン
ズ１が例えば第５図のように傾斜していると、配
光パターンは歪曲して第２図の如く配光ひずみを
生じつつ左右に広がつてしまう。これは、レンズ
１が上向きに傾斜しているため、第５Ａ図に示す
ように、円柱プリズムの中心に入射した光ａは第
５Ｂ図に示すように入射光とほぼ平行な光a′とし
て出射されるが、中心より離れた位置に入射した
光ｂは第５Ｃ図に示すように斜め下向きの光b′と
なつて出射されることに起因する。なお、第５Ｂ
図および第５Ｃ図は第５Ａ図のＥ方向矢視図であ
る。従つて、このような前照灯を用いると、水平
線の左右にダークゾーンが出来るので、非常に走
行しにくく、危険でもある。しかも、かかる特性
はプリズムの曲率半径を小ならしめて拡散を大き
くしようとすると顕著に現れる（例えば、レンズ
表面傾斜が25゜、左右拡散の広がり角度が25゜の
場合、４〜５゜下にたれ下る）。

配光におけるこのようなゆがみは、灯具を車体
に取付けた状態で、レンズ表面が垂直線（鉛直
線）に対して傾斜している場合には、いずれも生
ずる。つまり、レンズ表面が垂直線上に配置され
ると上記のとおり適正な配光パターンを得ること
ができるが、その他の場合には、何らかの配光の
ゆがみが発生する。

例えば、第６図イに示すのは、レンズ１の表面
が上向きになつて垂直線ｖに対して傾斜している
もの、同図ロはこれと同様であるが、レンズ１の
表面が曲率をもつて湾曲しているものである。第
６図ハはレンズ１の表面が下向きのもの、同図ニ
は同様であるが表面が湾曲しているものである。
同図ホは、レンズ１全体の配設としては傾斜して
いるとは言えないが、レンズ１表面の各部の接平
面が垂直線ｖに対して傾斜しているものである。
なお、第６図ハ，ニの如くレンズが下向きに傾斜
すると、照射域の左右両端部が立上りすぎ、特に
右側への照射が対向車に対する眩惑光となつて危
険である。

本発明は、前述の如き配光のゆがみを是正し、
所望の配光パターンを適正に得ることができる車
輛用前照灯を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明は、レンズの
少なくとも一部に、円錐面の一部ないし円錐面に
近似した曲面の一部からなる円錐ないし円錐近似
プリズムをほぼ垂直方向に形成し、かつ、その円
錐ないし円錐近似プリズムの母線をレンズの表面
と平行ならしめたものである。

このようにすると、後記詳述する如く、該プリ
ズムによる作用によつて配光のゆがみを解消する
ことができる。

本発明による円錐プリズムないし円錐近似プリ
ズムは、凹面プリズムに構成してもよいし、凸面
プリズムに構成してもよい。レンズ表面が垂直線
に対して傾斜しているものに適用する時は、いず
れの場合も、プリズムを構成すべき円錐面はその
回転軸を該レンズ表面の傾斜の略々半分の角度だ
け、垂直線に対して傾斜して構成するのがよい。

このように、本発明においては、従来例にみら
れた配光のゆがみを解消するために円錐プリズム
ないし円錐近似プリズムを用いるのであるが、本
発明者がかかる発明をなすに至つた背景について
まず略述する。すなわち、全く自由に任意の曲面
をプリズム形成して用い得るものとすれば、配光
のゆがみ、例えば前述の水平方向左右にダークゾ
ーンを生ぜしめる配光のゆがみを起こさせないよ
う、厳密な計算によりかかり面を定め、それをプ
リズムとして使用できる。しかし、実際上はその
ような曲面も簡単な曲面、例えば２次曲面に近似
する方が取扱い易く、かつ実際の成型上も便利で
ある。従つて、このような観点から種々検討の結
果、所期の目的を達するには、円錐面ないしそれ
に近似した曲面をプリズム面として用いるのが最
も有利であることに到達したのである。

円錐面ないしそれに近似した曲面を用いるとよ
いことは、以下に説明するとおりである。まず、
自由曲面プリズム（任意の曲面よりなるプリズ
ム）を設定できるものと仮定して、第３図のレン
ズ１のプリズム形成領域４′を取出して拡大し、
そのプリズム曲面を４″とし、これを自由曲面と
して設定し、任意の曲面をとれるものとする。つ
まり、プリズム面４″がわに水平方向に平行光線
を入射させて、レンズ１の表面からの屈折光が水
平方向には拡散するが、上下方向には拡散しない
という境界条件で点を求め、プリズム面４″の曲
面をかかる点の集合として最適値問題として例え
ばコンピユータで求める。このようにして求める
と第７図のようになる。第３図の例のようにレン
ズ１の表面が上向きの時は、プリズム４の上方断
面は曲率半径の小さい略球面５′、下方断面は曲
率半径の大きい略球面５″となるのである。

第８図に、プリズム面４″を点の集合として求
める時の、第７図の一素子部６を取出して拡大し
た離散化モデルを示す。第９図は該モデルを断面
にて示すもので、光路を同一の符号をもつて示し
てある。第８図を説明すると、Ｘは第７図に示す
ようにプリズム４を正面からみたときの水平方向
に延びる軸で、Ｙは垂直軸、Ｚは光軸方向（第７
図では前後方向）の軸である。そして、６Ａは任
意に取り出した一素子部６のプリズムの画素で、
６Ｂは画素６Ａに対向するレンズ表面の画素であ
る。画素６ＡがXZ平面によつて切り取られる直
線とＸ軸との角度をθ_x1とし、画素６ＡがYZ平
面で切り取られる直線とＹ軸との角度をθ_y1と
し、画素６ＢがXZ平面によつて切り取られる直
線とＸ軸との角度をθ_x2、画素６ＢがYZ平面で
切り取られる直線とＹ軸との角度をθ_yとすると
θ_x1とθ_x2とは異なる角度、θ_y1とθ_yとは異なる
角度である。

このようにしたとき、第９図に示すように、光
線が画素６Ａに入射すると、画素６Ａの法線
との関係（フレネルの法則：屈折率＝ｎ）から屈
折光線が得られ、屈折光線は画素６Ｂの法線
との関係（フレネルの法則：屈折率＝ｎ）から
出射光線が得られる。

このように、任意に自由な曲面をとることがで
きるものならば、第７図のように、曲率半径が
除々に変化して行く略球面を構成する各点の集合
をもつて、プリズムの曲面となせばよい。しか
し、レンズ製作上簡単な近似が必要とされるの
で、かかる曲率変化による連続曲面は、２次曲面
として近似する場合、円錐曲面が最適であると考
えられる。すなわち、第１０図に示すように、円
錐面はr₁＞r₂で示される如く、底面から頂点にか
けて連続的に半径が小さくなる円周からなるもの
だからである。よつて本発明においては、例えば
第１０図の円錐面の一部７を取つてレンズ１のプ
リズム４として用いる。また、第１１図の如く、
円錐の母線が外がわに球面その他の曲面をもつて
膨出した如き形状の近似円錐面を用いることもで
きる。レンズ１の表面が平面状でなく、曲面をな
している時は、その曲面に対応した曲面の円錐面
のプリズムを用いるのが最適だからである。この
ような場合も、プリズムとして任意の一部分７を
用いることができる。

いずれの面も、凹面としても、また凸面として
も使用できる。

次に実際にレンズ１の裏面にプリズム４を形成
する場合の条件について説明する。

第１２図には本発明に用い得るプリズムの一素
子の一例を示す。この例は、第６図ハ，ニに示す
ように、レンズ１の表面１１が下向きで傾斜する
ものに使用する。プリズム４は、レンズ１の裏面
を円錐面の一部をもつて凹状に切削して得たもの
であり、その曲率はレンズ１の傾斜方向に応じて
変化している。第１２図のｎ部の曲率半径r₃は、
ｍ部の曲率半径r₄よりも大きく形成されており、
その両者間では徐々に変化している。従つて、下
向きレンズのときには、プリズムの上方の曲率を
大きく、下方の曲率を小さく形成し、かつ、プリ
ズム４を構成する曲面の最も深い部分、つまりレ
ンズ１の表面１１に近い部分の点をもつて得た線
（最凹底面線）l₁は、レンズ１の表面１１の表面
軸線l₂と平行にする。この線l₁は、円錐の母線に
相当するものである。

また、同じく凹プリズムを用いるが、レンズ１
が、上方を向いている場合は、傾斜方向が逆にな
つているので、曲率半径の関係もそれに対応して
逆にする。すなわち、上方の曲率を小さくし、下
方の曲率を大きくする。そして、プリズム４の曲
面の最凹底面線l₁がレンズ１の表面１１の表面軸
線l₂と平行にすることは第１２図と同様である。

前記円錐凹プリズムを用いた場合の光路を示す
と第１３図および第１４図に示すとおりである。
これらの図において、ａは円錐プリズムの中心部
に入射する入射光、b₂，b₃は入射光ａと同一水平
面内において、円錐プリズムの左右両端付近に入
射する入射光を示す（なお、第１４図には入射光
ａとb₂，b₃とを便宜上上下にずらせて記載し
た。）円錐プリズムの中心部に入射した入射光ａ
はP₁点においてやや上向きに屈折し、レンズの表
面Q₁点においてやや下向きに屈折して入射光ａ
とほぼ平行な出射光a′となつて出射される。ま
た、円錐プリズムの両端付近に入射した入射光
b₂，b₃はP₂，P₃点において左右に拡散すると共
に、前記中心部の入射孔ａよりも大きな角度で上
向きに屈折し、レンズの表面Q₂，Q₃点において
やや下向きに屈折し、結果として入射光b₂，b₃と
ほぼ平行な出射光b₂′，b₃となつて出射される。

第１５図は円錐プリズムを凸状に形成した他の
実施例を示すものである。第１５図のｏ部は曲率
半径を小さく、ｐ部は曲率半径を大きくした円錐
面に形成したものである。また、該円錐の母線に
対応する最凸面線l₃は、レンズ１の表面１１の表
面軸線l₂と平行になつている。従つて、レンズ１
の表面１１が上向きに傾斜しているレンズのとき
には、上方の曲率半径を大きく、下方の曲率半径
を小さくした凸状の円錐プリズムとする。

また、同じく円錐凸プリズムで、レンズ１の表
面１１が下向きに傾斜している場合は、プリズム
の最凸面線l₃がレンズ１の表面１１の表面軸線l₃
と平行なことは同じだが、曲率半径は上方が小さ
く、下方を大きくする。

この円錐凸プリズムを用いた場合の光路を示す
と第１６図、第１７Ａ図、第１７Ｂ図に示すとお
りである。すなわち、円錐プリズムの中心部に入
射する入射光ａは、P₁点においてやや上向きに屈
折し、レンズの表面のQ₁点においてやや下向き
に屈折して入射光ａとほぼ平行な出射光a′となつ
て出射される。また、円錐プリズムの両端付近に
入射した入射光b₂，b₃は、P₂，P₃点において左右
に拡散すると共に、前記中心部の入射光よりも大
きな角度で上向きに屈折し、レンズの表面Q₂，
Q₃点においてやや下向きに屈折し、結果として
入射光b₂，b₃とほぼ平行な出射光b₂′，b₃′となつ
て出射される。

なお、第６図ロ，ニ，ホに示したようなレンズ
１に本発明のプリズム４を形成する場合、レンズ
１の表面は曲面になつているので、最凹底面線
（凹面プリズムの場合）や最凸面線（凸面プリズ
ムの場合）は第１１図に示したように膨出した面
の円錐面を用い、レンズ表面と合せるようにす
る。このように、レンズ１の表面１１の形状に応
じて、各種の近似円錐面を使用することができ
る。

上記のように構成することによつて、配光のゆ
がみを是正し、水平方向への配光において従来の
ダーク部を補償できるものであるが、その実施方
法について以下述べる。

まず、第１８図以下を参照して凹面プリズムを
用いた場合について説明する。今、図示のように
円錐の点Ｐを原点Ｏに置き、かつ円錐面をｘ−ｙ
面内でθだけ傾ける。次に円錐の頂点Ｐを点
（Ａ、Ｂ）まで平行移動して第１９図のようにす
る。第１９図において、符号１はレンズであり、
１１はレンズ１の表面である。前記説明したとお
り、表面１１と線ｌとは平行である。点（Ａ、
Ｂ）の座標は、平行移動線のＯ点における曲率半
径をｒとすれば、ｒ，θ及び円錐の軸と母線との
なす角θｔにより表わすことができ、従つて平行
移動線の円錐の式もこれにより表わすことができ
る。この式を用いれば、円錐面の法線の方向余弦
を求めることができる。（この法線は、第２０図
で、〓にて表示してある）。更に出射面の法線
（同じく〓で表示）の方向余弦も、屈折率をｎと
して求めることができる。また、入射光（第２０
図の〓で表示）は、レンズ面に対して略々平行光
線として入射するものであり、ｘ軸に平行で、上
下への広がりもないｙ、ｚ成分のないものと仮定
できるから、この方向余弦は直ちに設定すること
ができる。よつてこの入射光の方向余弦と、先に
求めた円錐面の法線の方向余弦及び出射面の方向
余弦とから、出射光（第２０図で〓にて表示）の
方向余弦も求めることができる。すなわち、この
出射光の方向余弦を計算するに当つては、入射光
と円錐面の法線とのなす角α及び、レンズ中の光
路（第２０図中〓で表示）とレンズ表面（出射
面）の法線〓とのなす角βの各々の余弦を要する
のであるが、角α、角βはともに先に求めた入射
光〓、円錐面の法線〓、出射面の法線〓の各方向
余弦からその余弦を算出することができるもので
ある。このように、角α、角βの余弦及び出射光
〓の方向余弦を式により表わすことができるので
これにより、上下拡散が無く、左右拡散のみを適
正になすプリズム形状を計算することができる。

凸面プリズムの場合は、凹面プリズムにて説明
した場合と同様に、第２１図の如く円錐面をｘ−
ｙ面内でθだけ傾け、ｙ軸と円錐の軸Ｙとが角度
θをなすようにし、更に頂点Ｐを（Ａ、Ｂ）まで
平行移動したものの式を、Ｏ点の曲率半径ｒを用
いて求める。これを用いると、上記凹面プリズム
の場合と同様な操作にて、出射面の法線、入射光
及び出射光（第２０図で云えば〓，〓，〓）の方向
余弦を式で表わすことができる。結果的には凹面
プリズムの場合と同表記の式を得ることができ
る。よつてこの場合も、最適値を計算にて求める
ことができる。

次に、実際にプリズム形成を行うため、凹プリ
ズム、凸プリズムの傾斜角θ（つまり第１８図、
第１９図、第２１図、第２２図における円錐のｙ
軸との傾斜。各図参照）と、該プリズムを構成す
る円錐の頂角の1/2であるθ_t（この角度θｔを有
する直角三角形を回転して、円錐面を得ることが
できるもの。各図参照）との最適値を求める過程
について説明する。今、第２３図に示すように、
水平方向の角度をθ_H、直角方向の角度をθ_vとす
る。出射光は、水平方向に適正に広がり、垂直方
向には全く拡散しないものに設定すれば、第２図
に示したような配光のゆがみは生じ得ないのであ
るから、出射光のθ_vがＯとなるように角度θ_t及
び角度θを定めればよいことになる。なお、レン
ズ表面の傾斜角度θ_yは、プリズムの最凹底面線
または最凸面線とレンズ表面とが平行であるが故
に、θ_y＝θ_t＋θと表わすことができる。よつて
このθ_yを用いれば、各円錐面の式、円錐面の法
線（第２０図の〓）の方向余弦、レンズ表面（出
射面）の法線（同じく〓）の方向余弦、出射光
（同〓）の方向を余弦を表わす式から出射光の垂
直方向成分θ_vをｒ（前記したＯ点における曲率
半径）、θ_y，ｘ，ｙ，ｚ，θ_tの関数で表わすこ
とができる。更に、ｘはｙ，ｚ，θ_y，θ_tの関数
であるからこれを消去し、結局θ_vはｒ，θ_y，θ
_t，ｙ，ｚで表わすことができる。よつて、円錐
曲面を微小曲面を微小面積に分割して各面素につ
いてのθ_vを求め、これを総和して、そのθ_vが０
となるようにθ_tを定めればよい。実際には円錐
曲面全体に入射した光の出射光の各々のθ_vの平
均値を、各面素の成分によりθ_vを表わしたもの
の総和を分割総数で割つたものと等しいと置き、
その平均値の絶対値が０となるθ_tを計算する。
これにより、円錐プリズムから出た光の全体を評
価した時に、θ_vが０となる最適なθ_tを求めたこ
とになる。

θ_y＝10、θ_y＝20、θ_y＝30の各場合について
の各々の計算結果を第２４図にグラフにて示す。
（このグラフは、屈折率ｎ＝1.47として計算した
場合である）。なお、凹面プリズムの場合も凸面
プリズムの場合も、ｒ，θ_y，θ_tの関係は同じで
あるので、同様の結果が出る。

このグラフから、実用的な近似関係を推察する
と、どのｒに対してもθ_tはθ_yのほぼ1/2が適正
であることがわかる。θ_yは前記したとおりレン
ズの表面のｙ軸に対する傾斜であり、プリズムを
構成する円錐の軸のｙ軸に対する傾きをθとする
とθ_y＝θ＋θ_tであるから、θ_t＝0.5θ_yと近似す
ると、結局θ＝0.5θ_yとなる。従つて、凹面プリ
ズムを用いる場合でも凸面プリズムを用いる場合
でも、プリズムを構成する円錐は、その軸をレン
ズ表面の垂直線に対する傾きの略々半分で傾斜さ
せるのが最も有効であることが判明する。

しかし、グラフを見ると理解されるように、厳
密にθ_t＝0.5θ_yというわけでなく、ｒの変化によ
つて両者の関係も変化している。よつて、補正項
を加え、これをｒの関数となるようにすることに
より一層厳密な設定ができるが、その場合でもｒ
をプリズム素子のピツチｐつまり幅の長さ（第１
８図のｚ方向の長さ）の1/2にとると、θ_t＝0.5
θ_yと近似できる。

従つて上記の結果から、本発明を用いて適正に
プリズム設定した前照灯は、適正な配光を有し、
そのゆがみが生じないものであることを理解する
ことができる。

上記述べたように、本発明の車輛用前照灯は、
前面レンズと、光源と、該光源の光をレンズ方向
に反射するリフレクタとを備え、前記レンズが傾
斜している車輛用前照灯において、前記レンズの
少なくとも一部に、円錐面の一部ないし円錐面に
近似した曲面の一部からなる円錐ないし円錐近似
プリズムをほぼ垂直方向に形成し、かつ、その円
錐ないし円錐近似プリズムの母線をレンズの表面
と平行ならしめたので、前面レンズが傾斜してい
る車輛用前照灯においてさけることができなかつ
た配光のゆがみを是正して理想的な配光パターン
に近づけ、ダークゾーンを解消することができる
効果がある。

なお、当然のことではあるが、本発明は図面を
参照して説明した実施例にのみ限定されるもので
はない。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は配光パターンを説明する図
である。第３図は一般の前照灯の形状を示すもの
で、イは正面図、ロ，ハは各々イにおけるロ−ロ
線断面図、ハ−ハ線断面図である。第４図及び第
５図は各々プリズムの作用を説明するための図
で、各々イは正面図、ロ，ハは各々イにおけるロ
−ロ線断面図、ハ−ハ線断面図である。第５Ａ
図、第説Ｂ図、第５Ｃ図は、従来のプリズムでは
配光のゆがみが生ずることの説明図である。第６
図イ乃至ホはレンズが傾斜した前照灯の例であ
り、本発明を適用し得るものの例示である。第７
図は自由曲面プリズムを示し、イは正面図、ロは
側断面図、ハ，ニは各々上部断面図、下部断面図
である。第８図は第７図のプリズム素子の離散化
モデルを示す図、第９図は同じくそれを断面にて
示すものである。第１０図及び第１１図は本発明
に適用し得る円錐面の例の斜視図である。第１２
図は本発明の実施の一例のプリズムを示す斜視
図、第１３図および第１４図は第１２図に示すプ
リズムを使用した場合の光路説明図である。第１
５図は他の例のプリズムを示す斜視図、第１６図
および第１７Ａ図、第１７Ｂ図は第１５図に示す
プリズムを使用した場合の光路説明図である。第
１８図乃至第２０図は凹面プリズムを設定する場
合のプリズム設定の説明図、第２１図及び第２２
図は凸面プリズムを設定する場合のプリズム設定
の説明図である。第２３図は適正角度の決定過程
の説明のための図、第２４図は同じくそのための
計算結果を示すグラフである。１……レンズ、１１……レンズの表面、２……
光源、３……リフレクタ、４……プリズム、ｙ，
ｖ……垂直線、θ……プリズムを構成する円錐の
軸の垂直線との傾斜、θ_y……レンズ表面の垂直
線との傾斜。

Claims

【特許請求の範囲】

１前面レンズと、光源と、該光源の光をレンズ
方向に反射するリフレクタとを備え、前記前面レ
ンズが傾斜している車輌用前照灯において、前記
レンズの少なくとも一部に、円錐面の一部ないし
円錐面に近似した曲面の一部からなる円錐ないし
円錐近似プリズムをほゞ垂直方向に形成し、か
つ、その円錐ないし円錐近似プリズムの母線をレ
ンズの表面と平行ならしめたことを特徴とする車
輌用前照灯。