JPWO2011077947A1 - 車両用前照灯 - Google Patents

Abstract

白色ＬＥＤを光源としてヘッドライト光学系において、反射面が滑らかで分割されていないにも関わらず、小型化、特に前後サイズの薄型化が可能でコンパクト化でき、また、高効率でかつカットオフ特性に優れた車両用前照灯を提供する。車両用前照灯は、面発光の光源と第１反射鏡と第２反射鏡とを有し、車両進行方向に向かってｚ軸を取り、それに直交する水平方向をｘ軸、鉛直方向をｙ軸とした際に、ｙｚ平面内において、第１反射鏡１の曲率中心側に光源が設けられ、ｘ軸と第１反射鏡１の光軸とで構成される平面に対して垂直な方向に、光源２の中心から出射した光線を主光線とし、主光線が第１反射鏡１で反射され第２反射鏡に入射する第２反射鏡上の点をａとし、光源の中心から第２反射鏡上の点までの距離をＬＡとし、第１反射鏡及び第２反射鏡によって反射された主光線に対する光学系の合成焦点距離をｆａとすると、下記式を満たす。４ｆａ≧ＬＡ

Description

本発明は、車両用前照灯に関する。

近年、環境面への配慮などから小型・軽量なヘッドライトが望まれており、ヘッドライトの光源として白色ＬＥＤを使用することが期待されている。

ヘッドライトに要求される性能の一つに十分な輝度が挙げられる。これはヘッドライトの基本的な性能として欠かすことのできない要件である。十分な輝度を達成するためには、光学系の効率を上げること、光源自体の光量を増加させることの２方向からのアプローチが必要である。

前者のアプローチでは、光学系の構成を工夫して光利用効率の向上を図ることである。ただし、光学系を小型化すると光学系の効率を保つのは困難となるため、光源の光量増加が必須となる。従って後者のアプローチ、すなわち光源自体の光量を増加させる必要があるが、ＬＥＤチップ単体で光量を増加させるには限界があり必要なパワーを確保することが困難であることから、複数個のチップを使用するという形態が一般的に用いられている。

以上のように、ＬＥＤを光源としたヘッドライト光学系では、光学系の小型化が要望されるとともに、複数個のＬＥＤチップを使用する必要があることから、光学系の大きさに対する発光面の面積が相対的に大きくならざるを得ない。このことは、光源が点光源としてみなせないということであり光学系の構成を考える上で、発光位置の空間的な広がりを考慮する必要があることを意味している。

従来より、ヘッドライト用の光学系としては、楕円反射鏡と投影レンズからなる構成のものが知られている。この場合、楕円反射鏡の楕円面で集光し、投影レンズで車両前方にほぼ平行な光を出射する。光源が点光源の場合には、楕円面、投影レンズのパラメータを調整することで、完全な平行光を出射することができる。しかしながら、このような光学系では、光源の面積が光学系の大きさに対して相対的に大きくなった場合に全ての光を平行光として出射できないことや、奥行き方向（車両進行方向）の長さの短縮が難しいといった課題がある。

その他、ヘッドライト用の光学系として、楕円反射鏡と放物面反射鏡とを組み合わせて用いた構成のものが知られている（例えば、特許文献１〜４参照）。この場合、楕円反射鏡の楕円面の第１焦点に光源を配置し、基本的には楕円面の第２焦点と放物面の焦点を概略一致させ、楕円反射鏡の楕円面で集光し、投影レンズの代わりに放物面で平行光を出射する。このような構成によれば、点光源を使用した場合には楕円面で反射された光を平行光とすることができる。また、楕円面で反射してから放物面で反射する光路、直接放物面に入射する光路などの光路に応じて、放物面を分割し各領域を最適な形状に設定することで、全ての出射光を略平行光にすることができる構成としている。これらの構成は、楕円反射鏡と投影レンズからなる光学系と比較して、光路を折り曲げているため車両進行方向のサイズを短縮することができるという利点がある。

特開２００５−３０２６０３号公報 特開２００８−１７１７２３号公報 特開２００６−１９０５２号公報 特開２００８−４１５５７号公報

しかしながら、上記従来例の構成は光源が点光源とみなせる場合に、最良の性能が得られる構成である。そのため、光学系が小型化し、相対的に光源が大きくなった場合や、光源がある大きさを有している場合には、上述したような従来の構成では十分な性能が得られないという課題があった。具体的には、発光位置の広がりの影響は、地面に対して水平な方向（左右方向と前後方向）によって異なるため、光源面積が光源に対して大きくなった場合に十分な性能を得ることが難しい。

また、特許文献１のように第１反射鏡の第１焦点近傍に設置した光源から出射した光を一度、第１反射鏡の第２焦点位置に集光させるような配置を用いている場合、光が最終的に出射される車両進行方向のサイズ短縮が難しかった。

また、特許文献２〜４の場合、放物面（もしくはそれに類似の機能を持った反射面）が分割されているため、影になる部分や変曲点や極値が存在し、特定の出射角度で出射光線強度が強くなるという課題の他、複数の曲面をつなぎ合わせるため面の形状を単一の式で表現することが難しく、また、製造が困難であるという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、白色ＬＥＤを光源としてヘッドライト光学系において、反射面が滑らかで分割されていないにも関わらず、小型化、特に前後サイズの薄型化が可能でコンパクト化でき、また、高効率でかつカットオフ特性に優れた車両用前照灯を提供することを目的としている。

本発明の一態様によれば、面発光の光源と、
第１反射鏡と、
第２反射鏡と、を有し、
前記第１反射鏡の頂点を原点として車両進行方向に向かってｚ軸を取り、それに直交する水平方向をｘ軸、鉛直方向をｙ軸とした際に、
ｙｚ平面内において、
前記第１反射鏡の曲率中心側に前記光源が設けられ、
ｘ軸と前記第１反射鏡の光軸とで構成される平面に対して垂直な方向に、前記光源の中心から出射した光線を主光線とし、
前記主光線が前記第１反射鏡で反射され、前記第２反射鏡に入射する前記第２反射鏡上の点をａとし、
前記光源の中心から、前記第２反射鏡上の点ａまでの距離をＬＡとし、
前記第１反射鏡及び前記第２反射鏡によって反射された前記主光線に対する光学系の合成焦点距離をｆａとすると、下記式（１）を満たすことを特徴とする車両用前照灯が提供される。

４ｆａ≧ＬＡ・・・式（１）
前記第１反射鏡の光軸とは、
１．前記第１反射鏡に頂点が存在する場合、前記第１反射鏡の頂点に接する接平面に垂直な前記第１反射鏡の頂点を通る軸を前記第１反射鏡の光軸とし、
２．前記第１反射鏡が頂点を含まない曲面の場合、前記光源が乗っている平面とその平面に垂直に交わるｚ軸を含む面との交線を前記第１反射鏡の光軸とする。

また、このとき、
（ａ）前記第１反射鏡と前記第１反射鏡の光軸とが交わる場合、その交点を前記第１反射鏡の頂点とし、（ｂ）前記第１反射鏡と前記第１反射鏡の光軸とが交わらない場合、前記第１反射鏡の最も光源に近い側の端点から前記第１反射鏡の光軸に下ろした垂線とが交わる点を前記第１反射鏡の頂点とする。

本発明によれば、高効率でコンパクトかつカットオフ特性に優れた照度分布を得ることができる。

本実施形態における車両用前照灯のｙｚ平面における模式図である。 第１反射鏡の光軸に関してｘ軸方向に対称となるように光源を配置した例であり、（ａ）は、第１反射鏡の光軸とｘ軸から作られる平面に対して垂直方向から見た場合を示しており、（ｂ）は、その出射光の照度分布である。 第１反射鏡の光軸に関してｘ軸方向に非対称となるように光源を配置した例であり、（ａ）は、第１反射鏡の光軸とｘ軸から作られる平面に対して垂直方向から見た場合を示しており、（ｂ）は、その出射光の照度分布である。 点ａにおける凹面反射鏡の焦点距離ｆａを求める際の説明図である。 （ａ）は、ｙｚ平面から見た場合における遮光部材を配置した場合の光線を示した図、（ｂ）は（ａ）の拡大図である。 ｙｚ平面から見た場合における補助反射鏡を配置した場合の光線を示した図である。 光学系の効率を規定する際の用語を説明するための模式図である。 出射光の照度分布を得る際の車両用前照灯とスクリーンとの配置関係を示した模式図であり、（ａ）はｘｚ平面図、（ｂ）はｘｙ平面図である。 実施例１の出射光の照度分布である。 実施例２の出射光の照度分布である。 実施例３の出射光の照度分布である。 実施例４の出射光の照度分布である。 実施例５の出射光の照度分布である。 実施例６の出射光の照度分布である。 実施例７の出射光の照度分布である。 実施例８の出射光の照度分布である。 実施例９の出射光の照度分布である。 実施例１０の出射光の照度分布である。 実施例１１の出射光の照度分布である。 比較例１の出射光の照度分布である。 比較例２の出射光の照度分布である。

以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について説明する。

図１は、本実施形態における車両用前照灯を側方から見た場合のｙｚ平面における模式図である。

なお、図中、ｘ軸方向は車両の進行方向と垂直で地面と水平な方向（左右方向）、ｙ軸方向は地面と鉛直な方向（上下方向）、ｚ軸方向は車両進行方向で地面と水平な方向とする。なお、ｘｙｚ軸の原点は便宜上第１反射鏡の頂点Ｐ１とする。以下、特に注意書きが無ければ下記文章内において出てくる様々な値及び記号はｘ＝０のｙｚ平面における値及び記号のことを指すものとする。

図１に示すように、車両用前照灯１００は、光源２と、第１反射鏡１と、第２反射鏡３と、を備える。

光源２は、面発光をし、例えば平板状に形成されている。ここで、面発光とは、発光の面積が０．２５ｍｍ^２以上のものを示す。なお、発光面の面積は、光源２の発光領域を囲むように発光領域に接するｘ軸に平行な線と第１反射鏡の光軸Ａ１に平行な線で形成される長方形の面積とする。また、光源２を複数有する場合の発光面の面積は、複数の光源を囲むように最外部に位置する発光領域に接するｘ軸に平行な線と第１反射鏡の光軸Ａ１に平行な線で形成される長方形の面積とする。このような光源２としては、白色ＬＥＤなどの半導体発光素子又は有機ＥＬ素子などが挙げられる。

また、光源２の発光面（図１では上側の面）の面積Ｓは、第１反射鏡の光軸Ａ１方向の長さをＬとし、それと直交する水平方向（ｘ軸方向）の長さをＭとすると、Ｓ＝Ｍ×Ｌと表せ、下記式（５）を満たすことが好ましい。

Ｌ≦３（ｍｍ）・・・式（５）
上記式（５）は、光源２の車両進行方向の大きさを制限した条件式であって、この条件式（５）内に収まる面発光の光源２とすることにより、高効率でコンパクトかつカットオフ特性に優れた照度分布を得るのに有効となる。

光源２は、具体的には、図示しないが複数個のＬＥＤチップとＬＥＤチップ上に形成された蛍光体層から構成されている。ＬＥＤチップは、第１の所定波長の光を出射するものであり、本実施形態においては青色光を出射するようになっている。ただし、本発明のＬＥＤチップの波長及び蛍光体の出射光の波長は限定されず、ＬＥＤチップによる出射光の波長と、蛍光体による出射光の波長とが補色関係にあり合成された光が白色光となる組み合わせであるものであれば、使用可能である。

なお、このようなＬＥＤチップとしては、公知の青色ＬＥＤチップを用いることができる。青色ＬＥＤチップとしては、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ系をはじめ既存のあらゆるものを使用することができる。青色ＬＥＤチップの発光ピーク波長は４４０〜４８０ｎｍのものが好ましい。また、ＬＥＤチップの形態としては、基板上にＬＥＤチップを実装し、そのまま上方または側方に放射させるタイプ、又は、サファイア基板などの透明基板上に青色ＬＥＤチップを実装し、その表面にバンプを形成した後、裏返して基板上の電極と接続する、いわゆるフリップチップ接続タイプなど、どのような形態のＬＥＤチップでも適用することが可能である。

また、光源２は、第１反射鏡１の光軸Ａ１に関してｘ軸方向に非対称であることが好ましい。具体的には、図３（ａ）に示すように光源２の配置又は形状を第１反射鏡１の光軸Ａ１を挟んでｘ軸方向に非対称にすることによって、照度分布も非対称にすることができる（図３（ｂ）参照）。その結果、対向車にまぶしくなく歩行者や標識が視認し易くなる。図２（ａ）、（ｂ）は、光源２の配置又は形状を第１反射鏡１の光軸Ａ１に関してｘ軸方向に対称とした場合の照度分布である。

蛍光体層は、ＬＥＤチップから出射される第１の所定波長の光を第２の所定波長に変換する蛍光体を有している。本実施の形態では、ＬＥＤチップから出射される青色光を黄色光に変換するようになっている。

このような蛍光体層に用いられる蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ａｌ、Ｌａ及びＧａの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して加圧し成形体を得る。成形体を坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０℃の温度範囲で２〜５時間焼成して、蛍光体の発光特性を持った焼結体を得ることができる。

第１反射鏡１は、曲率を有し、光源２側を向く面（反射面）が凹面とされている。ここで言う曲率とは、ｘ軸と第１反射鏡１の光軸Ａ１とで構成される平面に対して垂直なｘ＝０でのｙｚ平面内での曲率を言う。

本実施形態では、第１反射鏡１が楕円を基調とした面で構成されている場合を例として説明する。

例えば図１に示すように、第１反射鏡１は、内部が空洞の楕円球を、短軸１ｂを含む平面に沿って垂直に切断された曲率を有する略半楕円形状をなしている。但し、第１反射鏡１を形成する際に上記のように切断して成形する必要はなく、表面形状が第１反射鏡１で必要とされる略半楕円球状となるように金属を直接成形してもよいし、ガラスや樹脂基板等を成形した後に表面に蒸着などにより金属反射層や誘電体多層膜層を形成して反射面を構成することで反射鏡としてもよい。第１反射鏡１の内面１３（光源２に対向する面）の反射面は広い波長域で高い反射率を容易に得ることが可能な、例えばＡｌ、Ａｇ等の金属あるいは金属膜で構成されていることが好ましい。また、反射面は、熱あるいはＬＥＤチップからの光に対して劣化しにくい材料を用いるのが好ましい。

このような第１反射鏡１は、楕円球を短軸１ｂ方向に沿って切断した形状である切断面が車両進行方向の後方側または図１（ｂ）に示すようにｙ軸方向側を向いている。

第２反射鏡３は、第１反射鏡１よりも車両進行方向の後方または同じ位置に設けられている。第２反射鏡３は曲率を有し、光源２側を向く面（反射面）が凹面とされている。ここで言う曲率とは、ｘ軸と第１反射鏡１の光軸Ａ１とで構成される平面に対して垂直な方向の曲率を言う。

第２反射鏡３も第１反射鏡１と同様、楕円球や双曲面などの反射曲面を有する物体を切断して構成してもよいし、表面形状が第２反射鏡３で必要とされる球状となるように金属を直接成形してもよいし、ガラスや樹脂基板等を成形した後に表面に蒸着などにより金属反射層を形成して反射面を構成することで反射鏡としてもよい。

第２反射鏡３の内面３１（光源２に対向する面）の反射面は広い波長域で高い反射率を容易に得ることが可能な、例えばＡｌ、Ａｇ等の金属あるいは金属膜で構成されていることが好ましい。また、反射面は、熱あるいはＬＥＤチップからの光に対して劣化しにくい材料を用いるのが好ましい。

なお、第１反射鏡１及び第２反射鏡３は、曲率を有する反射鏡であり、単一の式で記述できる面形状を有するが、曲率を有する面の一部が使用されていれば実際に使用される光学面は曲率の頂点を含んでいる必要はない。

また、第１反射鏡１及び第２反射鏡３は、図１に示す形状に限らず、それぞれ楕円面、放物面、双曲面、偏球面を基調とした反射面としても良い。

第１反射鏡１は、ｘ軸方向と、ｘ軸と第１反射鏡１の光軸Ａ１とで構成される平面に対して垂直な方向とで反射面の形状が異なることが好ましい。また、第２反射鏡３は、ｘ軸方向と、ｘ軸と第２反射鏡１の光軸Ａ２とで構成される平面に対して垂直な方向とで反射面の形状が異なることが好ましい。このように第１反射鏡１及び第２反射鏡３のいずれか一方又は両方の反射面を、ｘ軸方向とそれに垂直な方向とでそれぞれパワーを変えることによって、任意の照度分布を得ることができる。例えば、ｘ軸に垂直な方向（第１反射面１の場合はｘ軸と第１反射鏡１の光軸Ａ１とで構成される平面に対して垂直な方向、第２反射面３の場合はｘ軸と第２反射鏡１の光軸Ａ２とで構成される平面に対して垂直な方向）には曲率がきつくｘ軸方向には曲率が緩いアナモフィックな面を用いることで、ｘ軸方向に広がった照度分布を得ることができる。また、例えばｘ軸に垂直な方向には楕円を基調とした面を、ｘ軸方向には双曲面を基調とした面を用いることで、ｘ軸方向に広がった照度分布を得ることができる。

また、第１反射鏡１及び第２反射鏡３のいずれか一方又は両方は、多項式非球面であることが好ましい。多項式非球面形状の反射面を用いることによって、より任意の照度分布を得ることができる。

また、第１反射鏡１及び第２反射鏡３のいずれか一方又は両方は第１反射鏡１の光軸Ａ１を挟んで左右（ｘ軸方向）に非対称であることが好ましい。左右非対称とすることによって、照度分布も非対称にすることができ、その結果、対向車にまぶしくなく歩行者や標識を視認し易くなる。

ここで、光源２、第１反射鏡１及び第２反射鏡３の配置関係等について詳細に説明する。

図１に示すように、ｙｚ平面内において、光源２の中心Ｓ０から、ｘ軸と第１反射鏡１の光軸Ａ１とで構成される平面に対して垂直な方向に、光源１の中心Ｓ０から出射した光線を主光線とし、
主光線が、第１反射鏡１で反射され、第２反射鏡３に入射する第２反射鏡３上の点をａとし、
光源１の中心Ｓ０から、第２反射鏡３上の点ａまでの距離をＬＡとし、
第１反射鏡１及び第２反射鏡３によって反射された主光線に対する光学系全体での合成焦点距離をｆａとすると、下記式（１）を満たす。

４ｆａ≧ＬＡ・・・式（１）
第１反射鏡１の光軸Ａ１は、
１．第１反射鏡１に頂点Ｐ１が存在する場合、第１反射鏡１の頂点Ｐ１に接する接平面に垂直な第１反射鏡１の頂点Ｐ１を通る軸を第１反射鏡１の光軸Ａ１とし、
２．第１反射鏡１が頂点Ｐ１を含まない曲面の場合、図示しないが、上記面発光光源が乗っている平面と垂直に交わるｚ軸断面の交線を第１反射鏡の光軸とする。

また、このとき、（ａ）第１反射鏡１と第１反射鏡１の光軸Ａ１とが交わる場合、その交点を第１反射鏡１の頂点Ｐ１とし、（ｂ）図示しないが、第１反射鏡と第１反射鏡の光軸とが交わらない場合、第１反射鏡の最も光源に近い側の端点から第１反射鏡の光軸に下ろした垂線とが交わる点を第１反射鏡の頂点とする。

上記式（１）を満たすことによって、平行光を出射でき、コンパクトな光学系を得ることができる。上記式（１）の条件を外れると平行光を出射することが難しくなる。

なお、光源２の中心Ｓ０とは、例えば、面発光光源２が複数ある場合はその複数ある面発光光源２の全体をｘ軸と第１反射鏡１の光軸Ａ１にそれぞれ平行な線で囲まれる長方形の中心のことを指す。

なお、凹面反射面が自由曲面から成る場合（例えば後述の実施例２）や光束が頂点から離れた光学面の一部において反射される場合（例えば後述の実施例１）や光束が複数の光学面で反射される場合、概光線が入射し反射される面における焦点距離ｆｍは曲率半径から求めることは難しい。そこで、凹面反射面で反射された光線の焦点距離ｆｍを以下の例を用いて説明する。

例えば図４に示すように、紙面内において中心主光線ＰＲ０がミラーＭ１（第２反射鏡）の凹面反射面に入射する場合、中心主光線ＰＲ０とその入射点ｍ１での凹面反射面の法線とを含む平面、すなわち入射面（ｐｌａｎｅ ｏｆ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）は紙面と一致する。その入射面について考えると、中心主光線ＰＲ０に対して平行であり、かつ、中心主光線ＰＲ０からその垂線方向に±０．００１ｍｍずれた光線のうち、この平面内においてミラーＭ１の凹面反射面に入射する光線は２本存在する。この入射面において、２本の光線がミラーＭ１の凹面反射面で反射されて成す角度を２ｕ′（ｒａｄｉａｎ）とすると、その平面内における中心主光線ＰＲ０が当たる点ｍ１におけるミラーＭ１の凹面反射面の焦点距離ｆｍ１は０．００１／ｕ′と定義される。

よって、本実施例の場合の第１反射鏡１及び第２反射鏡３によって反射された主光線に対する光学系の合成焦点距離ｆａは、光源の中心Ｓ０から出射される主光線と平行かつ、主光線から第１反射鏡の光軸Ａ１上で±０．００１ｍｍずれた２本の光線が第１反射鏡１を経て第２反射鏡３によって反射された後に成す角２ｕ′を用いて０．００１／ｕ′となる。

また、ｙｚ平面内において、光源２の中心Ｓ０から、第１反射鏡１の光軸Ａ１と第２反射鏡３とが交わる第１交点ｂまでの距離をＺＬとし、第１交点ｂにおける第２反射鏡３の焦点距離をｆｂとすると、下記式（２）を満たすことが望ましい。

２ｆｂ≧ＺＬ・・・式（２）
ただし、ｆｂは光源側（光の入射側及び出射側）をプラスとする。

上記式（２）を満たすことによって、よりコンパクトかつ平行光を出射することができる。

また、第１反射鏡の光軸と第２反射鏡とが交わらないように配置されている場合には、第２反射鏡の、第１反射鏡の光軸と最も近い側の端点を第１交点とする。

また、ｙｚ平面内において、下記式（３）を満たすことがより好ましい。

｜ｆｂ−ＺＬ｜≦ｆｂ／２・・・式（３）
上記式（３）を満たすことによって、よりコンパクトかつ平行光を出射することができる。

さらに、第１反射鏡１の頂点位置Ｐ１から、第１反射鏡１の曲率中心側の、第１反射鏡１の頂点位置Ｐ１に最も近い第１焦点位置ｆ１１までの距離をＦ１１とし、第１反射鏡１の頂点位置Ｐ１から、第１焦点ｆ１１とは異なる第２焦点ｆ１２位置までの距離をＦ１２とし、第１交点ｂから第１反射鏡１側にｆｂだけ離れた、第１反射鏡１の光軸Ａ１上の点を第２交点Ｆｂとし、第１反射鏡１の頂点位置Ｐ１から、第２交点Ｆｂまでの距離をＦとすると、下記式（４）を満たすことが好ましい。

｜Ｆ１２｜＞Ｆ・・・式（４）
上記式（４）は、従来の公知発明と差別化するためのコンパクトな光学系の条件式であり、上記式（４）を満たすことによって、よりコンパクトかつ平行光を出射することができる。なお、この式（４）の範囲を外れると従来の公知発明と変わりなく大型な光学系の構成となる。

図５は、より良いカットオフ特性を得るために遮光部材を配置した場合である。

図５では、第１反射鏡１及び第２反射鏡３は双曲面を基調とした反射面となっており、車両進行方向における第１反射鏡１と第２反射鏡３の間に遮光部材４が配置されている。このように遮光部材４を配置することによって、対向車側にはすれ違いようのビームとして好適なカットオフラインを持つ配光とすることができ、また、歩行者側には歩行者や標識確認のためのカットオフラインの無い配光とすることができる。

図６は、補助反射鏡を配置した場合である。

図６においても、第１反射鏡１及び第２反射鏡３は双曲面を基調とした反射面となっており、車両進行方向における第１反射鏡１と第２反射鏡３の間に補助反射鏡５が配置されている。このような補助反射鏡５により、所望の照度分布を得ることが可能となる。補助反射鏡５は、平面ミラーでも良いし、シリンダパイプのようなミラーでも良い。なお、図６では図面の関係上、光源２が図示されていないが、図５（ｂ）と同様の位置に光源２が配置されている。

以上のように、光源２と、第１反射鏡１と、第２反射鏡３とから構成され、上記式（１）を満たすことによって、第１反射鏡１と第２反射鏡３との間の距離を近づける。その結果、点光源ではなく、光源２が面発光の場合に効果を発揮し、従来の光学系と比較してコンパクト化することができる。また、高効率でかつカットオフ特性に優れた照度分布を得ることができる。

以下、本発明について実施例及び比較例について具体的に説明する。

下記表１〜３に示すように、各パラメータを所定値となるように設計した車両用前照灯（実施例１〜実施例１１、比較例１〜比較例２）を用いて光源を照射した場合の性能をシミュレーションした結果を、下記表４に示す。

一般に光軸ｚを中心にした回転対称な多項式非球面の式は下記の数１で表せる。

ｚは曲率のサグ量、ｙは光軸からの高さ、Ｒはｙｚ平面内での曲率半径、κはコーニック係数を表す。

上記式において、ｙ４乗以上の非球面係数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，・・・が０の場合、下記の数２で表せる。

数２を変形すると、下式になる。

ｙ^２−２Ｒｚ＋（１＋κ）ｚ^２＝０
ここで、Ｒ／（１＋κ）＝ａ、Ｒ／（１＋κ）^１／２＝ｂとおき（κ＞−１）、ｚにＺ＋ａを代入して式変形すると、下記の数３で表せる。

また、κ＜−１のときは、下記の数４で表せる。

このとき、反射鏡における焦点は下記の如くなる。
１．楕円のとき
二次元の楕円を考えると、楕円の中心（長軸と短軸の交点）から（ａ^２−ｂ^２）^１／２離れた位置に二つの焦点を有する。
２．双曲面のとき
二次元の双曲線を考えると、双曲線の中心（双曲線の二つの漸近線の交点）から（ａ^２＋ｂ^２）^１／２離れた位置に二つの焦点を有する。

以上、これを満たすａ，ｂの値を表１〜３に記載する。
３．その他の曲面のとき
二次元的に考えたとき、その曲線の近軸近傍における曲率半径をＲとすると、頂点からＲ／２離れた位置に焦点を有する。

また、光軸ｚに対してそれに直交する方向をｘ，ｙとすると、バイコーニック面の記述式は下記の数５で表せる。

但し、Ｒｘ：ｘ方向曲率半径、Ｒｙ：ｙ方向曲率半径、ｋｘ：ｘ方向のコーニック係数、ｋｙ：ｙ方向のコーニック係数である。

ｘｙ多項式面の式は下記の数６で表せる。

但し、Ｎ：多項式係数の個数、Ａｉ：ｉ番目の項の係数である。

そして、このときの各実施例及び比較例において以下に示す設計性能の評価を行った。

なお、表１〜３に示す第２反射鏡の頂点座標（β，γ）は、ｘ軸方向をα方向、第１反射鏡の光軸Ａ１方向をγ方向にとり座標の原点をｘｙｚ座標系と一致させた（Ｐ１を原点とした）、αβγの直交座標系における座標位置を示す。つまり、ｘｙｚ座標系を第１反射鏡の光軸Ａ１とｙ軸との成す角φだけｘ軸周りにｚ→ｙ方向に回転させ、ｘ→α，ｙ→γ，ｚ→βとした時に作られる座標系における座標位置を示す。

なお実施例４、７〜１１及び比較例１，２はバイコーニック面、実施例２、３、５、６はｘｙ多項式面である。また、実施例６は、図４のような遮光板をｘ軸のプラス方向にのみ（第１反射鏡の光軸Ａ１に対して非対称になるように）挿入した。

［小型化］
小型化の尺度として、発光面の面積に対する光学系が占める体積の比Ｒを用い、各実施例及び比較例についてＲの値を求めた。Ｒは以下のようにして算出し、その結果を表３に示した。

Ｒ＝Ｖ／Ｓ［ｍｍ］
Ｓ：発光面の面積［ｍｍ^２］
Ｖ：光学系の体積［ｍｍ^３］（光学系の体積は、光学系の水平方向の最大長さ×鉛直方向の最大長さ×車両進行方向の最大長さ）
現行の白色ＬＥＤを用いた車両用前照灯では、Ｓ＝３［ｍｍ^２］、Ｖ＝１２０００００［ｍｍ^３］（水平方向の最大長さ：２００［ｍｍ］、鉛直方向の最大長さ：６０［ｍｍ］、車両進行方向の最大長さ：１００［ｍｍ］）程度が一般的であり、Ｒ＝４０００００［ｍｍ］となる。本発明では、この６．４分の１であるＲ＜６２５００の場合を小型の光学系と定義する。これは、Ｓ＝４［ｍｍ^２］に対し、Ｖ＜２５００００［ｍｍ^３］（水平方向の最大長さ：１００［ｍｍ］、鉛直方向の最大長さ：５０［ｍｍ］、車両進行方向の最大長さ［５０ｍｍ］に相当する。
［高性能］
白色ＬＥＤ光源の発光面積に対して小型な光学系でありながら高性能であるという点については、下記の尺度ηを用い、各実施例及び比較例についてηの値を求めた。ηは以下のようにして算出し、その結果を表３に示した。ここで一般的に要求される性能を満たすためにはη＞１．０Ｅ^−５（Ｅ^−５は１０^−５を表す）であることが好ましい。

η＝光学系の効率／Ｒ
光学系の効率＝前方への出射光［Ｌｕｍｅｎ］／光源からの出射光［Ｌｕｍｅｎ］
前方：車両進行方向から水平方向に±２５°以内、鉛直方向で−１０°〜１０°以内とする（図７参照）。

表５の結果より、実施例１〜実施例１１は、比較例１〜比較例２に比べて小型化及び高性能の両立を図れることがわかる。

さらに、図８（ａ），（ｂ）に示すように、実施例１〜実施例１１及び比較例１〜比較例２の車両用前照灯から前方に１０ｍ離れた位置に、路面に垂直となるように仮想的なスクリーンを設け、車両用前照灯で照射した場合のシミュレーションを行なった。光源にはランバート分布のＬＥＤを想定してシミュレーションを行った。このときの出射光の照度分布［ｌｘ］を図９〜図２１に示した。図９〜図２１の図において、横軸は水平方向距離［ｍｍ］、縦軸は鉛直方向距離［ｍｍ］を表す。なお、図の照度分布は１つの車両用前照灯を使用した場合である。

照度分布が良好な条件（実施例の条件）とは、（ｉ）４００ｌｕｍｅｎの光源で、（ii）光源位置から１０ｍ先のスクリーン上において最も強い中心照度１００ｌｘ以上、（iii）ホットスポットが無い（最も照度の強い箇所が２つ以上無い）、（iv）ｙ軸方向にダラダラと広がっていないことである。

図９〜図２１の結果より、実施例１〜実施例１１は、比較例１〜比較例２に比べて明らかに照度分布が優れ、高性能であることが認められる。

１ 第１反射鏡
２ 光源
３ 第２反射鏡
１００ 車両用前照灯
Ａ１ 第１反射鏡の光軸
Ａ２ 第２反射鏡の光軸
Ｐ１ 第１反射鏡の頂点
Ｐ２ 第２反射鏡の頂点
ｆ１１ 第１反射鏡の第１焦点
ｆ１２ 第１反射鏡の第２焦点
ａ 主光線が第１反射鏡で反射され、第２反射鏡に入射する第２反射鏡上の点
ｂ 第１交点
Ｆｂ 第２交点
Ｓ０ 光源中心

Claims (12)

1. 面発光の光源と、
   第１反射鏡と、
   第２反射鏡と、を有し、
   前記第１反射鏡の頂点を原点として車両進行方向に向かってｚ軸を取り、それに直交する水平方向をｘ軸、鉛直方向をｙ軸とした際に、
   ｙｚ平面内において、
   前記第１反射鏡の曲率中心側に前記光源が設けられ、
   ｘ軸と前記第１反射鏡の光軸とで構成される平面に対して垂直な方向に、前記光源の中心から出射した光線を主光線とし、
   前記主光線が前記第１反射鏡で反射され、前記第２反射鏡に入射する前記第２反射鏡上の点をａとし、
   前記光源の中心から、前記第２反射鏡上の点ａまでの距離をＬＡとし、
   前記第１反射鏡及び前記第２反射鏡によって反射された前記主光線に対する光学系の合成焦点距離をｆａとすると、下記式（１）を満たすことを特徴とする車両用前照灯。
   ４ｆａ≧ＬＡ・・・式（１）
   前記第１反射鏡の光軸とは、
   １．前記第１反射鏡に頂点が存在する場合、前記第１反射鏡の頂点に接する接平面に垂直な前記第１反射鏡の頂点を通る軸を前記第１反射鏡の光軸とし、
   ２．前記第１反射鏡が頂点を含まない曲面の場合、前記光源が乗っている平面とその平面に垂直に交わるｚ軸を含む面との交線を前記第１反射鏡の光軸とする。
   また、このとき、
   （ａ）前記第１反射鏡と前記第１反射鏡の光軸とが交わる場合、その交点を前記第１反射鏡の頂点とし、（ｂ）前記第１反射鏡と前記第１反射鏡の光軸とが交わらない場合、前記第１反射鏡の最も光源に近い側の端点から前記第１反射鏡の光軸に下ろした垂線とが交わる点を前記第１反射鏡の頂点とする。
2. 前記光源の中心から、前記第１反射鏡の光軸と前記第２反射鏡とが交わる第１交点までの距離をＺＬとし、
   前記第１交点における前記第２反射鏡の焦点距離をｆｂとすると、下記式（２）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の車両用前照灯。
   ２ｆｂ≧ＺＬ・・・式（２）
   ただし、ｆｂは光源側（光の入射側及び出射側）をプラスとする。
3. ｙｚ平面内において、下記式（３）を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の車両用前照灯。
   ｜ｆｂ−ＺＬ｜≦ｆｂ／２・・・式（３）
4. 前記第１反射鏡及び前記第２反射鏡のうち少なくとも一方は、ｘ軸方向とそれに垂直なｙｚ平面内の方向とで反射面の形状が異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用前照灯。
5. 前記第１反射鏡の頂点位置から、前記第１反射鏡の曲率中心側の、前記第１反射鏡の頂点位置に最も近い第１焦点位置までの距離をＦ１１とし、
   前記第１反射鏡の頂点位置から、前記第１焦点とは異なる第２焦点位置までの距離をＦ１２とし、
   前記第１交点から前記第１反射鏡側にｆｂだけ離れた、前記第１反射鏡の光軸上の点を第２交点とし、
   前記第１反射鏡の頂点位置から、前記第２交点までの距離をＦとすると、下記式（４）を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両用前照灯。
   ｜Ｆ１２｜＞Ｆ・・・式（４）
6. 前記第１反射鏡の光軸方向の長さをＬとすると、下記式（５）を満たすことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両用前照灯。
   Ｌ≦３（ｍｍ）・・・式（５）
7. 車両進行方向における前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間に、遮光部材が配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の車両用前照灯。
8. 車両進行方向における前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間に、反射板が配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の車両用前照灯。
9. 前記第１反射鏡及び前記第２反射鏡のうち少なくとも一方は、多項式非球面であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の車両用前照灯。
10. 前記光源は、半導体発光素子又は有機ＥＬ素子であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の車両用前照灯。
11. 前記第１反射鏡及び前記第２反射鏡のうち少なくとも一方は、ｘ軸に関してｘ軸方向に非対称であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の車両用前照灯。
12. 前記光源は、ｘ軸に関してｘ軸方向に非対称であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の車両用前照灯。