WO2012169117A1 - 光学ユニット - Google Patents

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WO2012169117A1
WO2012169117A1 PCT/JP2012/003142 JP2012003142W WO2012169117A1 WO 2012169117 A1 WO2012169117 A1 WO 2012169117A1 JP 2012003142 W JP2012003142 W JP 2012003142W WO 2012169117 A1 WO2012169117 A1 WO 2012169117A1
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WO
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light
lens
light source
light emitting
optical unit
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PCT/JP2012/003142
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隆之 八木
山村　聡志
Original Assignee
株式会社小糸製作所
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    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the present invention relates to an optical unit, and more particularly to an optical unit used for a vehicle lamp.
  • a vehicular headlamp that irradiates the front of a vehicle with light emitted from a light source configured of a plurality of light emitting elements.
  • a condenser lens is disposed in front of a light source in which a plurality of light emitting elements are arranged in a matrix, and a part of light emitted from the light source is blocked by a diaphragm disposed between the light source and the condenser lens.
  • a vehicle headlamp that forms a desired light distribution pattern has been devised (see Patent Document 1).
  • the present invention has been made in view of these circumstances, and an object of the present invention is to provide a technology relating to a new optical unit that scans with the light of a light source.
  • an optical unit includes a lens from which light emitted from a light source is incident from behind and emitted forward as an irradiation beam.
  • the lens is configured to form a predetermined irradiation area by scanning the irradiation beam forward with the periodic movement.
  • a predetermined irradiation area can be formed by scanning the irradiation beam forward with periodic movement of the lens. Therefore, the light source can be miniaturized as compared with the case where a predetermined irradiation area is formed by the light emitted from the light source as it is.
  • the lens may be configured to rotate around a rotation axis connected to the drive unit and to periodically change a refracting direction when light emitted from the light source passes through. Thereby, the scanning using the light of the light source can be realized with a simple configuration.
  • the light source may further be provided.
  • the light source may be configured such that the light intensity changes in part of the phase range in the period of movement of the lens. Thereby, the brightness of a part of the predetermined irradiation area can be changed.
  • the light source may further include a plurality of light emitting elements.
  • the plurality of light emitting elements may include a plurality of light emitting elements of different emission colors. Thus, forward scanning can be performed with light of a color that can not be realized only by light emitting elements of the same color.
  • the plurality of light emitting elements may include a red light emitting element, a green light emitting element and a blue light emitting element. Thereby, it can scan forward with white light.
  • FIG. 1 is a horizontal cross-sectional view of a vehicle headlamp according to a first embodiment. It is a front view which shows the principal part of the vehicle headlamp shown in FIG. It is the perspective view which showed typically the structure of the lamp unit containing the optical unit which concerns on this Embodiment.
  • FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views showing the state of the blade according to the rotation angle of the rotating lens in the lamp unit according to the present embodiment. It is the figure which showed typically the projection image in the state of FIG. 4 (a) and FIG.4 (b).
  • 6 (a) to 6 (f) are diagrams showing projected images at different positions where the rotation angles of the rotating lens are different, and a high beam light distribution pattern formed by combining the projected images. .
  • FIG. 1 It is a schematic diagram for demonstrating a mode that a front is scanned by the light source which has multiple types of light emitting elements. It is a horizontal sectional view of the vehicular headlamp concerning a 2nd embodiment. It is a front view which shows the principal part of the vehicle headlamp shown in FIG.
  • the optical unit of the present invention can be used for various vehicle lamps.
  • the case where the optical unit of the present invention is applied to a vehicle headlamp among vehicle lamps will be described.
  • FIG. 1 is a horizontal cross-sectional view of a vehicular headlamp according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a front view showing the main part of the vehicle headlamp shown in FIG.
  • the vehicle headlamp 10 is a right headlamp mounted on the right side of the front end portion of the vehicle, and has the same structure as the headlamp mounted on the left side except that it is symmetrical. Therefore, the vehicle headlamp 10 on the right side will be described in detail below, and the description of the vehicle headlamp on the left side will be omitted.
  • the vehicular headlamp 10 includes a lamp body 12 having a recess opened toward the front.
  • the lamp body 12 is covered at its front opening by a transparent front cover 14 to form a lamp chamber 16.
  • the lamp chamber 16 functions as a space in which the two lamp units 18 and 20 are accommodated side by side in the vehicle width direction.
  • the lamp unit 20 disposed on the lower side shown in FIG. 1 is a lamp unit provided with a lens, and the light distribution variable high beam is It is configured to irradiate.
  • the lamp unit 18 disposed on the upper side shown in FIG. 1 in the vehicle headlamp 10 on the right side is configured to irradiate a low beam.
  • the low beam lamp unit 18 has a reflector 22, a light source bulb (incandescent bulb) 24 supported by the reflector 22, and a shade (not shown).
  • the reflector 22 is tiltably supported relative to the lamp body 12 by known means, for example by means of the aiming screw 23 and a nut.
  • the lamp unit 20 includes a rotating lens 26, a light source 29 having a plurality of LEDs 28, and a convex lens 30 as a projection lens disposed in front of the rotating lens 26. It is also possible to use a semiconductor light emitting element such as an EL element or an LD element instead of the LED 28 as a light source. In particular, for control for shielding a part of a light distribution pattern to be described later, a light source capable of turning on and off accurately in a short time is preferable.
  • the shape of the convex lens 30 may be appropriately selected according to the light distribution characteristics such as the required light distribution pattern and illuminance distribution, but an aspheric lens or a free curved surface lens is used. In the present embodiment, an aspheric lens is used as the convex lens 30.
  • the light source 29 is supported by the support plate 13.
  • the support plate 13 is fixed to the lamp body 12 by the aiming screw 15 at three places in the corner portion.
  • a heat dissipating fan 19 is attached to the surface of the support plate 13 opposite to the surface on which the light source 29 is provided, with a heat dissipating fin 17 interposed therebetween. As a result, the light source 29 is cooled by the heat dissipating fan 19 via the support plate 13 and the heat dissipating fins 17, and the temperature rise is suppressed.
  • the rotating lens 26 is rotated in one direction around the rotation axis R by a drive source such as a motor (not shown).
  • the rotating lens 26 is also provided with an entrance surface and an exit surface configured to refract light emitted from the LED 28 while rotating it to form a desired light distribution pattern.
  • the rotary lens 26 constitutes an optical unit.
  • FIG. 3 is a perspective view schematically showing the configuration of a lamp unit 20 including the optical unit according to the present embodiment.
  • the rotating lens 26 is a transparent disk-shaped member that transmits the light of the light source and functions as a refracting surface.
  • the rotating lens 26 shown in FIG. 3 two fan-shaped blades 26a having the same shape are provided around a cylindrical rotating portion 26b.
  • the rotation axis R of the rotation lens 26 is parallel to the optical axis Ax, and is provided in a plane including the optical axis Ax and the LED 28.
  • the rotation axis R is provided substantially parallel to the scanning plane of the light (irradiation beam) of the LED 28 that scans in the left and right direction by rotation.
  • the thickness of the optical unit can be reduced.
  • the scanning plane can be regarded as, for example, a fan-shaped plane formed by continuously connecting the trajectories of the light of the LED 28 which is the scanning light.
  • the blade 26 a of the rotary lens 26 is configured such that its thickness gradually decreases or increases in the circumferential direction around the rotation axis R.
  • the blade 26 a is configured such that the cross-sectional shape of the plane including the rotation axis R gradually changes in the circumferential direction around the rotation axis R. This enables scanning using the light of the LED 28. This point will be described in more detail.
  • FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views showing the state of the blade according to the rotation angle of the rotary lens 26 in the lamp unit according to the present embodiment.
  • FIG. 4 (a) shows the state of refraction when the position P1 of the blade 26a shown in FIG. 3 is in front of the light source
  • FIG. 4 (b) shows the position P2 of the blade 26a shown in FIG. Shows the state of refraction when it is in front of the.
  • the arrow Y in the drawing indicates the width direction of the vehicle.
  • the incident surface 26a1 of the blade 26a is composed of a substantially flat surface.
  • the exit surface 26a2 of the blade 26a is configured to be inclined or curved from the outer peripheral portion toward the rotating portion. More specifically, the blade 26a is twisted such that an angle ⁇ formed by the radial direction D of the exit surface 26a2 and the optical axis Ax changes as the position in the circumferential direction about the rotation axis R changes. have. This enables scanning using the light of the light source 29. This point will be described in more detail.
  • FIG. 5 is a view schematically showing a projection image in the state of FIG. 4 (a) and FIG. 4 (b).
  • the light emitted from the LED 28 on the optical axis Ax is refracted by the incident surface 26a1 and the emission surface 26a2 of the blade 26a and emitted forward as an irradiation beam.
  • the position of the virtual image of the LED 28 is a position shifted downward from the optical axis Ax in FIG. 4 (a).
  • the phase of the blade 26a is at the position shown in FIG. 4B, the position of the virtual image of the LED 28 is a position deviated from the optical axis Ax to the upper side of FIG.
  • the position of the virtual image of the LED 28 is moved by the rotation of the blade 26a. That is, apparently, the LEDs 28 move in the vehicle width direction Y. Therefore, the projection image I formed by the irradiation beam also moves in the vehicle width direction Y. Thus, the high beam light distribution pattern PH is formed by scanning the front side with the irradiation beam.
  • the exit surface is discontinuous at the boundary. That is, due to the rotation of the rotary lens 26, the portion of the position P2 of the other blade 26a passes the front of the LED 28 immediately after the portion P1 of the blade 26a passes the front of the LED 28. Therefore, when the rotary lens 26 is rotated in one direction, the scanning with the above-mentioned irradiation beam is also performed in one direction.
  • the rotating lens 26 is configured to be able to scan forward in one direction (horizontal direction) once by the light of the LED 28 by rotating 180 degrees.
  • a desired area in front of the vehicle is scanned once by the light of the LED 28.
  • the number and shape of the blades 26a and the rotational speed of the rotary lens 26 are appropriately set based on the results of experiments and simulations in consideration of the required characteristics of the light distribution pattern and the flicker of the scanned image.
  • a motor is preferable as a drive part which can change rotational speed according to various light distribution control. Thereby, the timing to scan can be easily changed.
  • a motor one which can obtain rotation timing information from the motor itself is preferable.
  • a DC brushless motor can be mentioned. When a DC brushless motor is used, since rotation timing information can be obtained from the motor itself, equipment such as an encoder can be omitted.
  • the rotary lens 26 can scan the front of the vehicle in the left-right direction using the light of the LED 28 by devising the shape and rotational speed of the blade 26 a.
  • 6 (a) to 6 (f) are diagrams showing projected images at different positions where the rotation angles of the rotating lens are different, and a high beam light distribution pattern formed by combining the projected images.
  • . 6A shows the case where the rotation angle of the rotation lens is 0 degrees
  • FIG. 6B shows the case where the rotation angle of the rotation lens is 45 degrees
  • FIG. 6C shows the case where the rotation angle of the rotation lens is 90 degrees
  • FIG. 6D shows a projection image when the rotation angle of the rotation lens is 135 degrees
  • FIG. 6E shows a projection image when the rotation angle of the rotation lens is 180 degrees.
  • FIG. 6F shows a light distribution pattern for high beam formed by scanning with the irradiation beam.
  • the unit of the vertical axis and the horizontal axis of the figure is degrees (°), and indicates the irradiation range and the irradiation position. As shown in FIGS. 6A to 6E, the projection image is moved in the horizontal direction by the rotation of the rotary lens 26.
  • the vehicle headlamp 10 is substantially rectangular by refracting the light of the LED 28 with the rotary lens 26 and scanning the refracted light forward.
  • a light distribution pattern for high beam can be formed.
  • a desired light distribution pattern can be formed by rotating the rotating lens 26 in one direction, it is not necessary to drive by a special mechanism such as a resonant mirror, and it is possible to form a reflecting surface like a resonant mirror.
  • the rotating lens 26 according to the present embodiment has a diameter substantially the same as the diameter of the convex lens 30, and the area of the blade 26a can be increased accordingly.
  • an arbitrary area is shielded by synchronizing the timing of turning on / off the LED 28 and the change of the light emission degree with the rotation of the rotating lens 26. It is possible to form a high beam distribution pattern.
  • the luminous intensity of the LED 28 is changed (switched on and off) in synchronization with the rotation of the rotary lens 26 to form a light distribution pattern for high beam, the light distribution pattern itself is swiveled by shifting the phase of the luminous intensity change. Control is also possible.
  • the vehicle headlamp according to the present embodiment forms a light distribution pattern by scanning the light of the LED and controls part of the light emission intensity to be part of the light distribution pattern.
  • a light shielding portion can be optionally formed. Therefore, as compared with the case where a part of the plurality of LEDs is turned off to form the light shielding portion, it is possible to accurately shield the desired area with a smaller number of LEDs. Further, since the vehicle headlamp 10 can form a plurality of light shielding portions, it is possible to shield the regions corresponding to the individual vehicles even when there are a plurality of vehicles ahead. Become.
  • the vehicle headlamp 10 can perform the light blocking control without moving the basic light distribution pattern, it is possible to reduce a sense of discomfort given to the driver at the time of the light blocking control. Further, since the light distribution pattern can be swiveled without moving the lamp unit 20, the mechanism of the lamp unit 20 can be simplified. Therefore, the vehicle headlamp 10 only needs to have a motor necessary for the rotation of the rotary lens 26 as a drive unit for light distribution variable control, and the configuration is simplified, reduced in cost, and reduced in size. It is designed.
  • the light source 29 described above is configured of a plurality of LEDs 28, but may be configured of one LED 28 as long as the desired irradiation performance can be satisfied. Further, the light source may be a white LED in which a light emitting element and a phosphor are combined. In addition, the light source may have a plurality of light emitting elements of different emission colors. Thus, forward scanning can be performed with light of a color that can not be realized only by light emitting elements of the same color.
  • the light source may include a red light emitting element (R element), a green light emitting element (G element), and a blue light emitting element (B element) as the plurality of light emitting elements. Thereby, it can scan forward with white light.
  • white light can be realized without using a phosphor, light of a light source can be efficiently used for illumination.
  • a combination of a blue light emitting element and a yellow light emitting element, or a combination of a cyan light emitting element and a magenta light emitting element may be used.
  • FIG. 7 is a schematic view for explaining how a light source having a plurality of light emitting elements scans forward.
  • the projection image I when the rotation angle of the rotary lens 26 is 0 degree is an irradiation area D Located on the left side of the And this projection image is composed of different colors in the order of red, green and blue.
  • this projection image is composed of different colors in the order of red, green and blue.
  • at least the central part D1 of the irradiation area D is irradiated with white light.
  • the rotating lens is moved so that the projection image I is moved by two elements by the rotation of the rotating lens. If the shape of 26 is set, white light can be realized. With such a slight movement, the change in the angle of refraction of light at the entrance surface or the exit surface of the rotary lens may be small. Therefore, the thickness of the rotary lens can be reduced, and manufacture and processing become easy.
  • region D are irradiated by the color different from the center part D1.
  • the light source 29 linearly includes a plurality of light emitting elements, it is possible to partially change the color of the light irradiated to the irradiation area.
  • the optical unit according to the present embodiment is provided with a rotating lens 26 in which light emitted from the light source 29 is incident from the rear and emitted as an irradiation beam.
  • the rotary lens 26 is configured to form a predetermined irradiation area by scanning the front side with the irradiation beam by its rotation operation. Thereby, a predetermined irradiation area can be formed by scanning the front side with the irradiation beam by the periodic movement of the rotary lens 26. Therefore, the light source can be miniaturized as compared with the case where a predetermined irradiation area is formed by the light emitted from the light source as it is.
  • the rotating lens 26 is configured to rotate around a rotation axis R connected to a drive unit such as a motor, and to periodically change the direction of refraction when light emitted from the light source 29 passes through. ing.
  • a drive unit such as a motor
  • the light source 29 may be configured to change the light intensity in a partial phase range in the period of movement of the rotary lens 26. Thereby, the brightness of a part of the predetermined irradiation area can be changed. In particular, by turning off the light source in a part of the phase range, it becomes possible to form a light distribution pattern in which a part of the irradiation area is shielded.
  • the optical unit combines the rotating lens 26 with a wide area light source 29 in which a plurality of light emitting elements are arranged in a line (array), so that a desired scan can be obtained by a slight scan with the irradiation beam.
  • the irradiation area can be irradiated.
  • the rotation axis R of the rotary lens 26 is parallel to the optical axis Ax, the arrangement of the rotary lens 26 in the left and right lamp units 20 can be made the same.
  • the gap between the chips is formed as a dark portion in the projection image.
  • partial unevenness in brightness occurs in the irradiation area.
  • the irradiation beam can scan the front by the rotating lens 26, such unevenness in brightness is reduced.
  • FIG. 8 is a horizontal cross-sectional view of the vehicle headlamp according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a front view showing the main part of the vehicle headlamp shown in FIG.
  • the vehicular headlamp 110 includes a lamp body 112 having a recess opened toward the front.
  • the lamp body 112 is covered at its front opening with a transparent front cover 114 to form a lamp chamber 116.
  • the lamp chamber 116 functions as a space in which the lamp unit 120 including the two light sources 129a and 129b is accommodated.
  • the lamp unit 120 includes a rotary lens 126, a light source 129a having a plurality of LEDs 128a and a light source 129b having a plurality of LEDs 128b, and a convex lens 122 disposed in front of the rotary lens 126 as a projection lens. , 124 and is configured to emit a light distribution variable high beam.
  • the shapes of the convex lenses 122 and 124 may be appropriately selected according to the light distribution characteristics such as the required light distribution pattern and illuminance distribution, but an aspheric lens or a free curved surface lens may be used.
  • the light sources 129 a and 129 b are supported by the support plate 113.
  • the support plate 113 is fixed to the lamp body 112 by the aiming screw 115 at three places in the corner portion.
  • a heat dissipating fan 119 is attached to the surface of the support plate 113 opposite to the surface on which the light sources 129a and 129b are provided, with a heat dissipating fin 117 interposed.
  • the light sources 129a and 129b are cooled by the heat dissipating fan 119 via the support plate 113 and the heat dissipating fins 117, and the temperature rise is suppressed.
  • the rotating lens 126 is rotated in one direction around the rotation axis R by a drive source such as a motor (not shown).
  • the rotating lens 126 is also provided with an entrance surface and an exit surface configured to refract light emitted from the LEDs 128 a and 128 b while rotating and form a desired light distribution pattern.
  • a drive source such as a motor (not shown).
  • the rotating lens 126 is also provided with an entrance surface and an exit surface configured to refract light emitted from the LEDs 128 a and 128 b while rotating and form a desired light distribution pattern.
  • the description will be omitted.
  • the optical unit 118 includes a rotating lens 26 and a plurality of light sources 129a and 129b having LEDs as light emitting elements.
  • the plurality of LEDs 128a included in one light source 129a among the plurality of light sources are LEDs for collecting light, and are disposed so as to achieve strong light collection in the front in the traveling direction suitable for the light distribution pattern for high beam.
  • the plurality of LEDs 128 b included in the other light source 129 b are diffusion LEDs, and are disposed to realize diffused light for emitting a wide range suitable for the high beam distribution pattern. Note that the number of LEDs included in each light source is not necessarily plural, and one LED may be sufficient as long as sufficient brightness can be realized. Moreover, it is not necessary to always turn on all the LEDs, and only some of the LEDs may be turned on according to the traveling condition of the vehicle and the state of the front.
  • the light source 129 a and the light source 129 b are arranged such that the emitted light is refracted at different positions by the blades 126 a of the rotary lens 126.
  • the plurality of light sources 129a and 129b so that the emitted light is refracted at different positions of the blade 126a of the rotary lens 126, it is possible to form a plurality of light distribution patterns and their distribution. Since it is also possible to combine light patterns to form a new light distribution pattern, it becomes easier to design a more ideal light distribution pattern.
  • a vehicle headlamp can form spot light with a very high maximum luminous intensity at a desired position by stopping the rotating lens at any angle without rotating it. This makes it possible to call attention by irradiating a specific obstacle (including a person) with a bright spot light.
  • the aspheric lens used in the above-described embodiment does not necessarily have to correct a distorted image, and may not correct a distorted image.
  • each embodiment demonstrated the case where an optical unit was applied to the vehicle lamp, it is not necessarily restricted to application to this field.
  • the present invention may be applied to lighting equipment in a stage or entertainment facility in which various light distribution patterns are switched to perform lighting.
  • lighting equipment in such a field required a large drive mechanism for changing the illumination direction, but in the case of the optical unit according to the present embodiment, various kinds of rotation devices and turning on / off of the light source are used. Since it is possible to form a light distribution pattern, a large drive mechanism is not necessary, and miniaturization is possible.
  • the light source is disposed at a position where the direction in which the irradiation beam scans forward with respect to the rotating lens is the width direction of the vehicle.
  • the light source may be disposed at a position where the direction in which the irradiation beam scans forward with respect to the rotating lens is the vertical direction of the vehicle. This also enables scanning in the vertical direction with the light of the light source.
  • SYMBOLS 10 Vehicle headlights, 20 lamp units, 26 rotating lenses, 26a blade, 26a1 incident surface, 26a2 emitting surface, 26b rotating part, 28 LEDs, 29 light sources, 30 convex lenses, 118 optical units, 119 heat radiation fans, 120 lamp units .
  • the present invention can be used for a vehicle lamp.

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Abstract

　光学ユニットは、光源２９から出射した光が後方から入射し照射ビームとして前方へ出射する回転レンズ２６を備える。回転レンズ２６は、その周期的な動きにより、前方を照射ビームで走査することで所定の照射領域を形成するように構成されている。回転レンズ２６は、駆動部と接続される回転軸Ｒを中心に回転するとともに、光源から出射した光が通過する際に屈折する方向が周期的に変化するように構成されていてもよい。

Description

光学ユニット
　本発明は、光学ユニットに関し、特に車両用灯具に用いられる光学ユニットに関する。
　近年、複数の発光素子で構成された光源から出射した光により車両前方を照射する車両用前照灯が知られている。例えば、複数の発光素子をマトリックス状に配置した光源の前方に集光レンズを配置し、光源と集光レンズとの間に配置された絞りにより光源から出射した光の一部を遮蔽することで所望の配光パターンを形成する車両用前照灯が考案されている（特許文献１参照）。
特開２００１－２６６６２０号公報
　しかしながら、特許文献１に示す車両用前照灯のように、車両前方の広い範囲を照射するためには非常に多くの発光素子を必要とする。そのため、装置のコストが高くなるとともに、装置が大型化することによるレイアウトの制約も多くなる。
　本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光源の光で走査する新たな光学ユニットに関する技術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光学ユニットは、光源から出射した光が後方から入射し照射ビームとして前方へ出射するレンズを備える。レンズは、その周期的な動きにより、前方を照射ビームで走査することで所定の照射領域を形成するように構成されている。
　この態様によると、レンズの周期的な動きにより前方を照射ビームで走査することで所定の照射領域を形成できる。そのため、光源から出射したそのままの光で所定の照射領域を形成する場合と比較して光源を小型化できる。
　レンズは、駆動部と接続される回転軸を中心に回転するとともに、光源から出射した光が通過する際に屈折する方向が周期的に変化するように構成されていてもよい。これにより、光源の光を用いた走査を簡便な構成で実現できる。
　光源を更に備えてもよい。光源は、レンズの動きの周期における一部の位相範囲において光度が変化するように構成されていてもよい。これにより、所定の照射領域の一部の明るさを変えることができる。
　複数の発光素子を有する光源を更に備えてもよい。複数の発光素子は、発光色の異なる複数種の発光素子を含んでもよい。これにより、同一色の発光素子のみでは実現できない色の光で前方を走査できる。
　複数の発光素子は、赤色発光素子、緑色発光素子および青色発光素子を含んでもよい。これにより、白色の光で前方を走査できる。
　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、光源の光で走査する新たな光学ユニットを提供することができる。
第１の実施の形態に係る車両用前照灯の水平断面図である。 図１に示す車両用前照灯の要部を示す正面図である。 本実施の形態に係る光学ユニットを含むランプユニットの構成を模式的に示した斜視図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）は、本実施の形態に係るランプユニットにおいて回転レンズの回転角に応じたブレードの様子を示す断面図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）の状態における投影イメージを模式的に示した図である。 図６（ａ）～図６（ｆ）は、回転レンズの回転角度が異なる各位置での投影イメージ、および、各投影イメージを合成して形成されたハイビーム用配光パターンを示した図である。 複数種の発光素子を有する光源により前方を走査する様子を説明するための模式図である。 第２の実施の形態に係る車両用前照灯の水平断面図である。 図８に示す車両用前照灯の要部を示す正面図である。
　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。
　本発明の光学ユニットは、種々の車両用灯具に用いることができる。以下では、車両用灯具のうち車両用前照灯に本発明の光学ユニットを適用した場合について説明する。
　（第１の実施の形態）
　図１は、第１の実施の形態に係る車両用前照灯の水平断面図である。図２は、図１に示す車両用前照灯の要部を示す正面図である。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、２つのランプユニット１８，２０が車幅方向に並んで配置された状態で収容される空間として機能する。
　これらランプユニットのうち内側、すなわち、右側の車両用前照灯１０にあっては図１に示す下側に配置されたランプユニット２０は、レンズを備えたランプユニットであり、配光可変ハイビームを照射するように構成されている。一方、これらランプユニットのうち外側、すなわち、右側の車両用前照灯１０にあっては図１に示す上側に配置されたランプユニット１８は、ロービームを照射するように構成されている。
　ロービーム用のランプユニット１８は、リフレクタ２２とリフレクタ２２に支持された光源バルブ（白熱バルブ）２４と、不図示のシェードとを有する。リフレクタ２２は、既知の手段、例えば、エイミングスクリュー２３とナットを使用した手段によりランプボディ１２に対して傾動自在に支持されている。
　ランプユニット２０は、図１に示すように、回転レンズ２６と、複数のＬＥＤ２８を有する光源２９と、回転レンズ２６の前方に配置された投影レンズとしての凸レンズ３０と、を備える。なお、ＬＥＤ２８の代わりにＥＬ素子やＬＤ素子などの半導体発光素子を光源として用いることも可能である。特に後述する配光パターンの一部を遮光するための制御には、点消灯が短時間に精度よく行える光源が好ましい。凸レンズ３０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が用いられる。本実施の形態では、凸レンズ３０として非球面レンズを用いている。
　光源２９は、支持プレート１３によって支持されている。支持プレート１３は、コーナー部のうち３か所がエイミングスクリュー１５によってランプボディ１２に固定されている。支持プレート１３の光源２９が設けられている面と反対側の面には、放熱フィン１７を介して放熱ファン１９が取り付けられている。これにより、光源２９は、支持プレート１３および放熱フィン１７を介して放熱ファン１９によって冷却され、温度の上昇が抑制されている。
　回転レンズ２６は、不図示のモータ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、回転レンズ２６は、ＬＥＤ２８から出射した光を回転しながら屈折し、所望の配光パターンを形成するように構成された入射面および出射面を備えている。本実施の形態では、回転レンズ２６が光学ユニットを構成している。
　図３は、本実施の形態に係る光学ユニットを含むランプユニット２０の構成を模式的に示した斜視図である。
　回転レンズ２６は、光源の光が透過し、屈折面として機能する透明な円板状の部材である。図３に示す回転レンズ２６は、形状の同じ２枚の扇形のブレード２６ａが筒状の回転部２６ｂの周囲に設けられている。回転レンズ２６の回転軸Ｒは、光軸Ａｘに対して平行になっており、光軸ＡｘとＬＥＤ２８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ＬＥＤ２８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ＬＥＤ２８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。
　また、回転レンズ２６のブレード２６ａは、その厚みが、回転軸Ｒを中心とする周方向に向かうにつれて徐々に減少または増加するように構成されている。換言すると、ブレード２６ａは、回転軸Ｒを含む平面による断面形状が、回転軸Ｒを中心とする周方向に向かうにつれて徐々に変化するように構成されている。これにより、ＬＥＤ２８の光を用いた走査が可能となる。この点について更に詳述する。
　図４（ａ）および図４（ｂ）は、本実施の形態に係るランプユニットにおいて回転レンズ２６の回転角に応じたブレードの様子を示す断面図である。図４（ａ）は、図３に示すブレード２６ａの位置Ｐ１が光源の正面にある場合の屈折の様子を示しており、図４（ｂ）は、図３に示すブレード２６ａの位置Ｐ２が光源の正面にある場合の屈折の様子を示している。なお、図中の矢印Ｙは車両の幅方向を示している。
　ブレード２６ａの入射面２６ａ１は、ほぼ平坦な面で構成されている。一方、ブレード２６ａの出射面２６ａ２は、外周部から回転部に向かって斜めまたは曲面で構成されている。より詳述すると、ブレード２６ａは、回転軸Ｒを中心とする周方向の位置が変化するにつれて、出射面２６ａ２の径方向Ｄと光軸Ａｘとが成す角θが変化するように捩られた形状を有している。これにより、光源２９の光を用いた走査が可能となる。この点について更に詳述する。
　図５は、図４（ａ）および図４（ｂ）の状態における投影イメージを模式的に示した図である。光軸Ａｘ上にあるＬＥＤ２８から出射した光は、ブレード２６ａの入射面２６ａ１および出射面２６ａ２で屈折され、照射ビームとして前方へ出射される。ブレード２６ａの位相が図４（ａ）に示す位置の場合、ＬＥＤ２８の虚像の位置は、光軸Ａｘから図４（ａ）の下方にずれた位置である。一方、ブレード２６ａの位相が図４（ｂ）に示す位置の場合、ＬＥＤ２８の虚像の位置は、光軸Ａｘから図４（ｂ）の上方にずれた位置である。
　したがって、ＬＥＤ２８の虚像の位置は、ブレード２６ａの回転によって移動することになる。つまり、見かけ上、ＬＥＤ２８が車幅方向Ｙに移動することになる。そのため、照射ビームによって形成される投影イメージＩも車幅方向Ｙに移動する。このように、前方が照射ビームで走査されることで、ハイビーム用配光パターンＰＨが形成される。
　なお、本実施の形態に係る回転レンズ２６の２つのブレード２６ａは、互いに同じ形状であるが、その境界では出射面が不連続になっている。つまり、回転レンズの２６の回転により、ＬＥＤ２８の正面を一方のブレード２６ａの位置Ｐ１の部分が通過した直後に、他方のブレード２６ａの位置Ｐ２の部分がＬＥＤ２８の正面を通過する。そのため、回転レンズ２６が一方向に回転している場合には、前述の照射ビームでの走査も一方向に行われることになる。
　本実施の形態に係る回転レンズ２６は、１８０度回転することで、ＬＥＤ２８の光によって前方を一方向（水平方向）に１回走査できるように構成されている。換言すると、１枚のブレード２６ａがＬＥＤ２８の前を通過することで、車両前方の所望の領域がＬＥＤ２８の光によって１回走査されることになる。なお、ブレード２６ａの数や形状、回転レンズ２６の回転速度は、必要とされる配光パターンの特性や走査される像のちらつきを考慮して実験やシミュレーションの結果に基づいて適宜設定される。また、種々の配光制御に応じて回転速度を変えられる駆動部としてモータが好ましい。これにより、走査するタイミングを簡便に変えることができる。このようなモータとしては、モータ自身から回転タイミング情報を得られるものが好ましい。具体的には、ＤＣブラシレスモータが挙げられる。ＤＣブラシレスモータを用いた場合、モータ自身から回転タイミング情報を得られるため、エンコーダなどの機器を省略することができる。
　このように、本実施の形態に係る回転レンズ２６は、ブレード２６ａの形状や回転速度を工夫することで、ＬＥＤ２８の光を用いて車両前方を左右方向に走査することができる。
　図６（ａ）～図６（ｆ）は、回転レンズの回転角度が異なる各位置での投影イメージ、および、各投影イメージを合成して形成されたハイビーム用配光パターンを示した図である。図６（ａ）は回転レンズの回転角度が０度の場合、図６（ｂ）は回転レンズの回転角度が４５度の場合、図６（ｃ）は回転レンズの回転角度が９０度の場合、図６（ｄ）は回転レンズの回転角度が１３５度の場合、図６（ｅ）は回転レンズの回転角度が１８０度の場合の投影イメージを示している。図６（ｆ）は、照射ビームで走査することで形成されたハイビーム用配光パターンを示している。図の縦軸および横軸の単位は度（°）であり、照射範囲および照射位置を示している。図６（ａ）～図６（ｅ）に示すように、回転レンズ２６の回転によって投影イメージは水平方向に移動する。
　図５（ｆ）に示すように、本実施の形態に係る車両用前照灯１０は、ＬＥＤ２８の光を回転レンズ２６で屈折させ、屈折した光で前方を走査することで実質的に矩形のハイビーム用配光パターンを形成することができる。このように、回転レンズ２６の一方向の回転により所望の配光パターンを形成することができるため、共振ミラーのような特殊な機構による駆動が必要なく、また、共振ミラーのように反射面の大きさに対する制約が少ない。なお、本実施の形態に係る回転レンズ２６は、凸レンズ３０の直径とほぼ同じ直径であり、ブレード２６ａの面積もそれに応じて大きくすることが可能である。
　また、本実施の形態に係る光学ユニットを備えた車両用前照灯１０は、ＬＥＤ２８の点消灯のタイミングや発光度の変化を回転レンズ２６の回転と同期させることで、任意の領域が遮光されたハイビーム用配光パターンを形成することができる。また、回転レンズ２６の回転に同期させてＬＥＤ２８の発光光度を変化（点消灯）させてハイビーム用配光パターンを形成する場合、光度変化の位相をずらすことで配光パターン自体をスイブルするような制御も可能である。
　上述のように、本実施の形態に係る車両用前照灯は、ＬＥＤの光を走査することで配光パターンを形成するとともに、発光光度の変化を制御することで配光パターンの一部に任意に遮光部を形成することができる。そのため、複数のＬＥＤの一部を消灯して遮光部を形成する場合と比較して、少ない数のＬＥＤで所望の領域を精度よく遮光することができる。また、車両用前照灯１０は、複数の遮光部を形成することができるため、前方に複数の車両が存在する場合であっても、個々の車両に対応する領域を遮光することが可能となる。
　また、車両用前照灯１０は、基本となる配光パターンを動かさずに遮光制御することが可能なため、遮光制御時にドライバに与える違和感を低減できる。また、ランプユニット２０を動かさずに配光パターンをスイブルすることができるため、ランプユニット２０の機構を簡略化することができる。そのため、車両用前照灯１０は、配光可変制御のための駆動部としては回転レンズ２６の回転に必要なモータを有していればよく、構成の簡略化と低コスト化、小型化が図られている。
　（光源の構成）
　前述の光源２９は、複数のＬＥＤ２８で構成されているが、所望の照射性能を満たすことができれば一つのＬＥＤ２８で構成されていてもよい。また、光源は、発光素子と蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤでもよい。また、光源は、発光色の異なる複数種の発光素子を有してもよい。これにより、同一色の発光素子のみでは実現できない色の光で前方を走査できる。また、光源は、複数の発光素子として、赤色発光素子（Ｒ素子）、緑色発光素子（Ｇ素子）および青色発光素子（Ｂ素子）を含んでもよい。これにより、白色の光で前方を走査できる。また、蛍光体を用いずに白色光を実現できるため、光源の光を照明に効率よく利用することができる。なお、白色光を実現するためには、青色発光素子と黄色発光素子の組合せ、または、シアン発光素子とマゼンタ発光素子との組合せであってもよい。
　図７は、複数種の発光素子を有する光源により前方を走査する様子を説明するための模式図である。図７の上段に示すように、光源２９が、Ｒ素子、Ｇ素子およびＢ素子をライン状に複数組備えている場合、回転レンズ２６の回転角度が０度における投影イメージＩは、照射領域Ｄの左部に位置している。そして、この投影イメージは、赤、緑、青の順で異なる色で構成されている。しかしながら、このような投影イメージが図７の右方向へ移動されることで、少なくとも照射領域Ｄの中央部Ｄ１が白色光で照射される。
　ライン状（アレイ状）に配置されたＲ素子、Ｇ素子およびＢ素子を備える光源の場合、図７に示すように、回転レンズの回転によって２素子分だけ投影イメージＩが移動するように回転レンズ２６の形状が設定されていれば白色光を実現できる。このようなわずかな移動であれば、回転レンズの入射面や出射面における光の屈折角度の変化は小さくてもよい。そのため、回転レンズの厚みを薄くでき、製造や加工も容易となる。また、複数種の発光素子を有する光源の場合、照射領域Ｄの両端部Ｄ２は、中央部Ｄ１と異なる色で照射される。このように、光源２９が、複数種の発光素子をライン状に備えている場合、照射領域を照射する光の色を部分的に変化させることができる。
　以上、本実施の形態の車両用前照灯１０が備える光学ユニットの機能をまとめると以下のようになる。
　本実施の形態に係る光学ユニットは、光源２９から出射した光が後方から入射し照射ビームとして前方へ出射する回転レンズ２６を備える。回転レンズ２６は、その回転動作により、前方を照射ビームで走査することで所定の照射領域を形成するように構成されている。これにより、回転レンズ２６の周期的な動きにより前方を照射ビームで走査することで所定の照射領域を形成できる。そのため、光源から出射したそのままの光で所定の照射領域を形成する場合と比較して光源を小型化できる。
　また、回転レンズ２６は、モータなどの駆動部と接続される回転軸Ｒを中心に回転するとともに、光源２９から出射した光が通過する際に屈折する方向が周期的に変化するように構成されている。これにより、光源２９の光を用いた走査を簡便な構成で実現できる。
　また、光源２９は、回転レンズ２６の動きの周期における一部の位相範囲において光度が変化するように構成されていてもよい。これにより、所定の照射領域の一部の明るさを変えることができる。特に、光源を一部の位相範囲において消灯することで、照射領域の一部の領域が遮光された配光パターンの形成が可能となる。
　また、光学ユニットは、回転レンズ２６と、複数の発光素子がライン状（アレイ状）に配列された面積（幅）の広い光源２９とを組み合わせることで、照射ビームでのわずかな走査によって所望の照射領域を照射できる。
　また、回転レンズ２６の回転軸Ｒは光軸Ａｘと平行なため、左右のランプユニット２０における回転レンズ２６の配置を同じにできる。
　また、複数のＬＥＤチップが配列された光源２９から出射された光を、そのまま照射ビームとして前方へ出射した場合、チップとチップの隙間が暗い部分として投影イメージに形成されてしまう。その結果、照射領域に部分的な明るさのムラが生じる。しかしながら、本実施の形態に係る光学ユニットは、回転レンズ２６によって前方を照射ビームで走査できるため、このような明るさのムラが低減される。
　（第２の実施の形態）
　図８は、第２の実施の形態に係る車両用前照灯の水平断面図である。図９は、図８に示す車両用前照灯の要部を示す正面図である。
　図８に示すように、車両用前照灯１１０は、前方に向かって開口した凹部を有するランプボディ１１２を備えている。ランプボディ１１２は、その前面開口が透明な前面カバー１１４によって覆われて灯室１１６が形成されている。灯室１１６は、２つの光源１２９ａ，１２９ｂを備えたランプユニット１２０が収容される空間として機能する。
　ランプユニット１２０は、図８に示すように、回転レンズ１２６と、複数のＬＥＤ１２８ａを有する光源１２９ａおよび複数のＬＥＤ１２８ｂを有する光源１２９ｂと、回転レンズ１２６の前方に配置された、投影レンズとしての凸レンズ１２２，１２４と、を備え、配光可変ハイビームを照射するように構成されている。凸レンズ１２２，１２４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が用いられる。
　光源１２９ａ，１２９ｂは、支持プレート１１３によって支持されている。支持プレート１１３は、コーナー部のうち３か所がエイミングスクリュー１１５によってランプボディ１１２に固定されている。支持プレート１１３の光源１２９ａ，１２９ｂが設けられている面と反対側の面には、放熱フィン１１７を介して放熱ファン１１９が取り付けられている。これにより、光源１２９ａ，１２９ｂは、支持プレート１１３および放熱フィン１１７を介して放熱ファン１１９によって冷却され、温度の上昇が抑制されている。
　回転レンズ１２６は、不図示のモータ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、回転レンズ１２６は、ＬＥＤ１２８ａ，１２８ｂから出射した光を回転しながら屈折し、所望の配光パターンを形成するように構成された入射面および出射面を備えている。なお、回転レンズ１２６による光の屈折は、第１の実施の形態に係る回転レンズ２６と同様の作用であるため、説明は省略する。
　本実施の形態に係る光学ユニット１１８は、回転レンズ２６と、発光素子としてのＬＥＤを有する複数の光源１２９ａ，１２９ｂと、を備えている。複数の光源のうち一方の光源１２９ａが有する複数のＬＥＤ１２８ａは、集光用のＬＥＤであり、ハイビーム用配光パターンに適した進行方向正面への強い集光を実現するように配置されている。複数の光源のうち他方の光源１２９ｂが有する複数のＬＥＤ１２８ｂは、拡散用のＬＥＤであり、ハイビーム用配光パターンに適した広い範囲を照射する拡散光を実現するように配置されている。なお、各光源が有するＬＥＤは必ずしも複数である必要はなく、十分な明るさを実現できればＬＥＤは１つでもよい。また、常に全てのＬＥＤを点灯させる必要はなく、車両の走行状況や前方の状態に応じて一部のＬＥＤのみを点灯させてもよい。
　光源１２９ａおよび光源１２９ｂは、それぞれ出射した光が、回転レンズ１２６の各ブレード１２６ａによって異なる位置で屈折されるように配置されている。このように、複数の光源１２９ａ，１２９ｂを、それぞれの出射した光が回転レンズ１２６のブレード１２６ａの異なる位置で屈折するように配置することにより、複数の配光パターンを形成できるとともに、それらの配光パターンを合成して新たな配光パターンを形成することも可能なため、より理想的な配光パターンの設計が容易となる。
　以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各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各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各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。
　例えば、車両用前照灯は、回転レンズを回転させずに任意の角度で停止させることで、最大光度が非常に高いスポット光を所望の位置に形成することができる。これにより、特定の障害物（人を含む）を明るいスポット光で照射することで注意喚起を促すことが可能となる。
　また、上述の実施の形態で用いられる非球面レンズは、必ずしも歪んだ像を補正するものである必要はなく、歪んだ像を補正しないものであってもよい。
　また、上述の各実施の形態では、光学ユニットを車両用灯具に適用した場合について説明したが、必ずしもこの分野への適用に限らない。例えば、種々の配光パターンを切り替えて照明を行う舞台や娯楽施設における照明器具に適用してもよい。従来、このような分野の照明器具は、照明方向を変えるための大掛かりな駆動機構が必要あったが、本実施の形態に係る光学ユニットであれば、回転レンズの回転と光源の点消灯で様々な配光パターンを形成できるため、大掛かりな駆動機構が不要であり、小型化が可能である。
　また、上述の各実施の形態に係る光学ユニットでは、回転レンズに対して、前方を照射ビームで走査する方向が車両の幅方向となる位置に光源が配置されている。しかしながら、回転レンズに対して、前方を照射ビームで走査する方向が車両の上下方向となる位置に光源を配置してもよい。これにより、光源の光による上下方向への走査も可能となる。
　１０　車両用前照灯、　２０　ランプユニット、　２６　回転レンズ、　２６ａ　ブレード、　２６ａ１　入射面、　２６ａ２　出射面、　２６ｂ　回転部、　２８　ＬＥＤ、　２９　光源、　３０　凸レンズ、　１１８　光学ユニット、　１１９　放熱ファン、　１２０　ランプユニット。
　本発明は、車両用灯具に利用できる。

Claims (5)

  1. 　光源から出射した光が後方から入射し照射ビームとして前方へ出射するレンズを備え、
    　前記レンズは、その周期的な動きにより、前方を前記照射ビームで走査することで所定の照射領域を形成するように構成されていることを特徴とする光学ユニット。
  2. 　前記レンズは、駆動部と接続される回転軸を中心に回転するとともに、光源から出射した光が通過する際に屈折する方向が周期的に変化するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
  3. 　光源を更に備え、
    　前記光源は、レンズの動きの周期における一部の位相範囲において光度が変化するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学ユニット。
  4. 　複数の発光素子を有する光源を更に備え、
    　前記複数の発光素子は、発光色の異なる複数種の発光素子を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光学ユニット。
  5. 　前記複数の発光素子は、赤色発光素子、緑色発光素子および青色発光素子を含むことを特徴とする請求項４に記載の光学ユニット。
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