WO2017138100A1 - 車両用灯具及び車両用灯具システム - Google Patents

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WO2017138100A1
WO2017138100A1 PCT/JP2016/053881 JP2016053881W WO2017138100A1 WO 2017138100 A1 WO2017138100 A1 WO 2017138100A1 JP 2016053881 W JP2016053881 W JP 2016053881W WO 2017138100 A1 WO2017138100 A1 WO 2017138100A1
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WO
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light
projection lens
vehicular lamp
lens
light source
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PCT/JP2016/053881
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太田　光彦
島野　健
嶋田　堅一
真弓 松下
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株式会社日立製作所
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Publication date
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    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S41/00—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps
    • F21S41/10—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by the light source
    • F21S41/12—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by the light source characterised by the type of emitted light
    • F21S41/135—Polarised
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
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    • F21S41/25—Projection lenses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
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    • F21S41/285—Refractors, transparent cover plates, light guides or filters not provided in groups F21S41/24 - F21S41/2805
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21S41/32—Optical layout thereof
    • F21S41/321—Optical layout thereof the reflector being a surface of revolution or a planar surface, e.g. truncated
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21S41/32—Optical layout thereof
    • F21S41/36—Combinations of two or more separate reflectors
    • F21S41/365—Combinations of two or more separate reflectors successively reflecting the light

Definitions

  • the present invention relates to a vehicular lamp and a vehicular lamp system.
  • Cars driving at night have a high accident rate due to poor visibility of the driver. Although it is obliged to turn on the headlamp from the viewpoint of safety, if the headlight for driving (high beam) is turned on, the driver of the oncoming vehicle or the preceding vehicle may be dazzled. This can be prevented by turning on a low-light headlight (low beam), but a low beam cannot secure a sufficient field of view.
  • a technique for recognizing an object such as an oncoming vehicle or a preceding vehicle in front and appropriately controlling the light distribution of the headlamp based on the recognition result has been proposed and spread. It's getting on.
  • Patent Document 1 proposes a technique for detecting an oncoming vehicle using an image acquired by a camera and controlling a headlamp so that a beam is not irradiated or dimmed in a region corresponding to the oncoming vehicle. ing.
  • Such a technology is called Adaptive Driving Beam (ADB).
  • ADB Adaptive Driving Beam
  • ⁇ ADB requires a camera, which is usually installed on the top of the windshield.
  • the camera and the headlamp are separate from each other, their optical axes do not coincide with each other, so that parallax occurs between the area imaged by the camera and the area illuminated by the headlamp.
  • the obstacle is farther away and the obstacle is shielded from light.
  • the range that cannot be illuminated by the headlamp can also be imaged by the camera, and image processing is performed on that range, so extra computation is performed.
  • Patent Document 2 proposes a configuration in which an image sensor is arranged in the lamp body of the headlamp.
  • the system which detects the light emitted from the front of the own vehicle with a sensor through a projection lens is adopted. That is, the projection lens is also used for imaging.
  • a vehicular headlamp uses a projection lens having a large numerical aperture (NA) in order to efficiently take in a light beam from a light source.
  • NA numerical aperture
  • the lens has aberration, and the field curvature classified as one of them is proportional to NA and proportional to the square of the tangent of the half angle of view. Therefore, if a projection lens with a large NA is used as an imaging lens that requires a half angle of view of 15 ° or more, a large curvature of field occurs, and the acquired image becomes an image with a large blur near the outer edge. . For this reason, the recognition accuracy of an object falls.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and greatly suppresses field curvature in a vehicle headlamp in which an image sensor is disposed in a lamp body, and blurs over the entire surface.
  • a technique for acquiring a small image and recognizing an object with high accuracy is provided.
  • An example of the configuration is, for example, a vehicular lamp including a lamp body, and the lamp body captures and projects a light source and a light flux emitted from the light source, and captures and collects light from the outside.
  • a relay lens that captures and collects the light collected from the projection lens, and an image sensor that receives the light collected by the relay lens and images an object, and the size of the opening of the relay lens Is based on the size of the light beam formed by the parallel light beam entering the projection lens at the position where the parallel light beam is incident on the projection lens at the position of the relay lens. Lamp.
  • curvature of field can be significantly suppressed, and an image with small blur can be acquired over the entire surface.
  • recognition accuracy of an object such as an oncoming vehicle or a preceding vehicle is improved, and high-precision ADB can be performed.
  • positioned the image pick-up element in the conventionally proposed lamp body. Illustration for explaining the occurrence of curvature of field in the conventional proposed method The figure showing the structure of 1st Example of this invention.
  • the figure for demonstrating that field curvature is suppressed in 1st Example of this invention.
  • FIG. 1 a portion surrounded by a broken line 100 indicates a configuration inside the lamp body of the headlamp, and a light source 1, a reflector 2, and a projection lens 4 are arranged in the lamp body.
  • the light emitted from the light source 1 is reflected by the reflector 2 and once forms an image on a virtual light emitting surface as indicated by 3 in the figure.
  • the figure for the convenience of drawing, only light rays emitted from the light source 1 and condensed at the intersection of the virtual light emitting surface 3 and the optical axis are shown. Concentrate on a point.
  • the light condensed on the virtual light emitting surface 3 behaves as if it is emitted from the virtual light emitting surface 3.
  • the distance between the virtual light emitting surface 3 and the projection lens 4 is set to the focal length f of the projection lens 4, and light rays emitted from each point on the virtual light emitting surface are converted into parallel light through the projection lens 4, that is, in front of the projection lens 4. Irradiates in front of the vehicle.
  • FIG. 2 a portion surrounded by a broken line 101 indicates a configuration in the lamp body of the headlamp.
  • the light source 1, the reflector 2, and the projection lens 4 are the same components as those in FIG. 1, and the behavior of light rays from the light source to the projection lens 4 is also the same as that in FIG.
  • the projection lens 4 not only projects the light emitted from the virtual light emitting surface 3 to the front of the host vehicle, but also plays a role of collecting the light from the object in front of the host vehicle.
  • the object in front of the subject vehicle to be detected is located at infinity, and the light beam emitted from the object enters the projection lens 4 as parallel light. Since this optical path is the same as the light beam emitted from a point on the virtual light emitting surface 3, the condensing point of the light beam emitted from the object at infinity is on the virtual light emitting surface 3.
  • a half mirror 5 is arranged between the projection lens 4 and the reflector 2, and a part of the light emitted from the object passes through the half mirror 5 and is condensed on the virtual light emitting surface 3. Is reflected by the half mirror 5 and condensed on the light condensing surface 3 ′ located at a position symmetrical to the half mirror 5 of the virtual light emitting surface 3.
  • Patent Document 2 proposes a method of controlling light emission and imaging of the light source 1 in a time-sharing manner as means for preventing interference between the projection light from the light source 1 and the light from the object.
  • FIG. 3 shows a simulation result in a state where parallel light is incident on the projection lens 4.
  • the surface shape a general projection lens shape is adopted. The calculation was performed with the incident angles of the incident luminous flux being 0 ° and 21.8 °. In FIG. 3, the paper surface represents a horizontal surface, and the incident angle 21.8 ° is an angle intended for the horizontal field angle.
  • the incident angles of the incident luminous flux being 0 ° and 21.8 °.
  • the optical path on the imaging side is bent halfway by the half mirror 5, but since it is irrelevant to the description here, the half mirror 5 is omitted and the optical path is shown as not bent.
  • the light beam incident at 0 ° is condensed on the surface 3 ′ at a distance f from the principal point of the projection lens, whereas the light beam incident at 21.8 ° is a distance of 43 mm from the principal point, that is, 0 °.
  • the light is condensed 12 mm before the condensing point of the incident light beam.
  • the image plane connecting all the incident angles has a curved shape as shown by a broken line 3 ′′. This is a manifestation of aberration called field curvature, and the magnitude of the field curvature is It is proportional to NA and proportional to the square of the incident angle tangential.
  • the image pickup element is a semiconductor component and is usually made flat for convenience of the manufacturing process. For this reason, when the image sensor is arranged on the surface 3 ′, a light beam incident at 0 ° is condensed, but a light beam incident at 21.8 ° is incident on the image sensor in a state of a greatly blurred point image. In this case, a high quality image can be obtained at the center of the image, but only a low quality image can be obtained near the outer edge of the image.
  • the image sensor is arranged at a position where the 21.8 ° incident light beam is condensed, the 0 ° incident light beam is incident in a blurred state, so that a high quality image can be obtained only at the outer edge of the image. For this reason, it is impossible to obtain a high-quality image for the entire image regardless of where the image sensor is arranged.
  • FIG. 4 a portion surrounded by a broken line 102 indicates a configuration in the lamp body of the headlamp.
  • the light source 1, the reflector 2, the projection lens 4, and the half mirror 5 are the same components as those in FIG.
  • the paper surface represents a surface in the vertical direction.
  • a light beam from an object in front of the host vehicle behaves as if it is emitted from the light collecting surface 3 ′ after being condensed on the light collecting surface 3 ′.
  • Light rays as if emitted from the condensing surface 3 ′ are incident on the relay lens 6.
  • the light beam incident on the relay lens 6 is focused on the image sensor 7 after receiving the lens action of the relay lens 6.
  • the half mirror 5 is configured to reflect the incident light beam in the vertical direction, but this is more desirable than the configuration that reflects the horizontal direction. The reason for this will be described by comparing FIG. 4 and FIG.
  • a portion surrounded by a broken line 102 ′ shows a configuration in the lamp body of the headlamp.
  • the light source 1, the reflector 2, and the projection lens 4 are the same constituent elements as those in FIG.
  • the paper surface represents a horizontal surface.
  • the half mirror 5b is configured to reflect the incident light beam in the horizontal direction, and the relay lens 6 is disposed at a position for taking in the reflected light beam.
  • the light beam that has been subjected to the lens action by the relay lens 6 is focused on the image sensor 7.
  • the irradiation angle of the headlamp is larger in the horizontal direction than in the vertical direction, the length of the virtual light emitting surface 3 is longer in the horizontal direction.
  • the range required for images for ADB is wider in the horizontal direction than in the vertical direction.
  • the half mirror needs to be longer in the horizontal direction than in the vertical direction.
  • the longitudinal direction of the half mirror occupies a space close to the projection lens 4 and the reflector 2. Therefore, the necessary distance between the projection lens 4 and the reflector 2 is larger than that in the configuration of FIG. For this reason, the configuration of FIG. 4 is desirable because the degree of freedom in designing the interval between the projection lens 4 and the reflector 2 is increased.
  • FIGS. 6 and 7 show the projection lens 4, the condensing surface 3 ', the relay lens 6, and the image sensor 7 in the configuration of FIG. 4, and the projection lens 4 and the relay lens 5 are expressed as ideal lenses.
  • the optical path by these configurations is bent halfway by the half mirror 5, but since it is irrelevant to the description here, the half mirror 5 is omitted and the optical path is shown as not bent. .
  • FIG. 6 shows a state in which a parallel light beam is incident on the projection lens 4 at an incident angle of 0 °.
  • the light beam incident on the projection lens 4 is once condensed on the condensing surface 3 ′ and then diverged again, and becomes a light beam having a diameter D 1 at the position of the relay lens 6.
  • the relay lens 6 serves as a diaphragm, and only a part of the light beam incident on the projection lens 4 is cut out and guided to the image sensor 7. .
  • the luminous flux is limited in this way, the aberration of the wave front is reduced and the convergence of the luminous flux is facilitated. For this reason, the surface design of the relay lens 6 is facilitated, and the field curvature due to the surface design can be easily suppressed by the design.
  • the condition for D r ⁇ D 1 can be rewritten as D r / L ⁇ D / f.
  • the eyepiece lens plays the role of a relay lens in a generally known Kepler telescope, microscope, etc., but it is the objective lens, not the eyepiece, that plays the role of a diaphragm.
  • the field curvature is proportional to the NA, the curvature of field can also be suppressed by making the NA of the relay lens 6 smaller than the NA of the projection lens 4.
  • the effective NA is an element that determines the magnitude of the field curvature instead of NA. Is a value represented by D r / 2 / f r when opening the D r of the relay lens 6 and the effective NA of the relay lens, the distance from the principal plane of the relay lens 6 to focus plane was f r .
  • the NA of the projection lens 4 is expressed by D / 2 / f using the aperture D of the projection lens 4 and the focal length f. That is, the condition for suppressing the curvature of field is D r / f r ⁇ D / f.
  • Figure 7 shows a state in which parallel light beam to the projection lens 4 at an incident angle theta 1 is incident.
  • This light beam is focused on the position of the image height ftan ⁇ 1 on the light condensing surface 3 ′ at a distance f from the projection lens 4.
  • Part of the focused light beam enters the relay lens 6.
  • ftan ⁇ 1 Ltan ⁇ 2.
  • ⁇ 1 > ⁇ 2 is established , and the incident angle of the light beam is converted to a small value upon incidence on the relay lens. Since the field curvature is proportional to the square of the tangential of the incident angle, the field curvature can be suppressed as a result.
  • FIG. 8 shows a state in which parallel light beams having an incident angle of 0 ° and an incident angle of 21.8 ° are incident on the projection lens 4.
  • the relay lens has a single lens configuration.
  • the paper surface in the figure represents the horizontal direction.
  • the relay lens 6 functions as a diaphragm, and the relay lens 6 takes in only a part of the incident light beam to the projection lens 4 as the incident light beam.
  • the effective NA of the relay lens 6 is 0.25, which is smaller than the NA 0.55 of the projection lens 4.
  • the surface shape is as shown in the enlarged view of FIG.
  • FIG. 9 shows the result of ray tracing at each incident angle of the system shown in FIGS.
  • the column A shown in the upper half of the figure shows the arrival point of each incident angle light beam on the light condensing surface 3 'in the system of FIG. 3, and the column B shown in the lower half shows in the system of FIG.
  • the arrival point of each incident angle light beam on the image sensor 7 is shown.
  • Both the columns A and B show the calculation results when the incident angle of the light beam with respect to the projection lens 4 is 0 °, 10 °, and 21.8 °.
  • the image forming magnification of the image is different between the light condensing surface 3 ′ and the image pickup device 7, and an image about 8 times larger than the image pickup device 7 is obtained on the light condensing surface 3 ′. Therefore, in order to compare the concentration of light rays equally, the scale in the A column is set to 8 times the scale in the B column. As can be seen by comparing the A column and the B column, in the A column, the degree of light collection becomes worse as the incident angle increases, and at the incident angle of 21.8 °, the light beam spreads to about 2/3 of the display range. On the other hand, in the column B, the condensing state hardly changes even when the incident angle is increased, and a good condensing state is obtained even at an incident angle of 21.8 °.
  • FIG. 10 An example of a vehicle headlamp according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • a portion surrounded by a broken line 103 indicates a configuration in the lamp body of the headlamp.
  • the light source 1, the reflector 2, the projection lens 4, the relay lens 6, and the image sensor 7 are the same components as in the first embodiment.
  • the paper plane represents a vertical plane.
  • the configuration of the half mirror is different from that of the first embodiment, and the half mirror 5 'in this embodiment is smaller in size than the half mirror 5 of the first embodiment.
  • the projection lens 4 projects a light beam.
  • the projection area includes a high beam projection area where a light beam emitted upward from the optical axis of the projection lens is projected, and a projection lens. It is divided into a low beam projection region where a light beam emitted downward from the optical axis is projected.
  • the low beam projection area is an area where there is no possibility of dazzling the driver of another vehicle.
  • the emitted light beam represented by L0 is the light beam projected onto the low beam projection area.
  • the half mirror 5 ′ does not receive a light beam that is emitted from a low beam projection region represented by a broken light beam L 1 and is incident on the projection lens 4, and is a high beam projection region represented by a light beam L 2.
  • the light beam emitted from and incident on the projection lens 4 is incident. Therefore, the light beam emitted from the low beam projection region is not collected on the light condensing surface 3c ′, but the light beam emitted from the high beam projection region is collected.
  • the light beam emitted from the high beam projection area reaches the image sensor 7 through the relay lens 6.
  • the half mirror can be reduced in size compared to the first embodiment, so that the price, weight and space can be reduced.
  • the light utilization rate can be improved.
  • the light beam guided to the image sensor 7 is only the light beam emitted from the high beam projection area, but the low beam projection area is an area where there is no possibility of giving a dazzling effect even if the light beam is projected. Or it is an area
  • FIG. 11 An example of a vehicle headlamp according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • a portion surrounded by a broken line 104 indicates a configuration in the lamp body of the headlamp.
  • the light source 1, the projection lens 4, the relay lens 6, and the image sensor 7 are the same components as in the first embodiment, but the arrangement of the relay lens 6 and the image sensor 7 is different.
  • the paper surface represents a surface in the vertical direction.
  • the reflector 2 ′ is partially a half mirror, which has a function of reflecting a light beam emitted from the light source 1 to form an image on the virtual light emitting surface 3, while emitting from an object in front of the own vehicle.
  • the light beam collected by the projection lens 4 is transmitted.
  • a light beam emitted from an object in front of the host vehicle and condensed by the projection lens 4 is once condensed on the virtual light emitting surface 3, then passes through the reflector 2 ′ and enters the relay lens 6.
  • the light beam incident on the relay lens 6 is focused on the image sensor 7 after receiving the lens action of the relay lens 6.
  • the light source 1 may be arranged at a position shifted from the optical axis so as not to block the optical path from the projection lens 4 to the relay lens 6.
  • the reflector 2 ′ only the part through which the light beam traveling from the projection lens 4 toward the relay lens 6 is a half mirror, and the remaining part may be a total reflection mirror, or the projection lens 4 to the relay lens.
  • a hole may be partially opened so as not to block the light beam directed to 6, and the remaining portion may be a total reflection mirror.
  • only an incident light beam from an angle corresponding to the high beam irradiation angle may be guided to the image sensor 7.
  • the half mirror 5 in the first embodiment can be omitted, it is possible to reduce the price and weight. Further, since it is not necessary to provide a space for arranging the half mirror between the reflector 1 and the projection lens 4, the degree of freedom in design is improved.
  • FIG. 12 An example of a vehicle headlamp according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • a portion surrounded by a broken line 105 indicates a configuration in the lamp body of the headlamp.
  • the light source 1, the reflector 2, the projection lens 4, the half mirror 5, the relay lens 6, and the image sensor 7 are the same components as in the first embodiment, but the arrangement of the relay lens 6 and the image sensor 7 is different.
  • the paper plane represents a vertical plane.
  • a total reflection mirror 8 is provided between the half mirror 5 and the relay lens 6 in the optical path.
  • the relay lens 6 takes in the light beam reflected by the total reflection mirror 8 and focuses it on the image sensor 7.
  • the degree of freedom in designing the optical system is higher than in the first embodiment, and the degree of freedom in designing the shape of the lamp body as a structure including the optical system is also increased. It becomes easy to handle.
  • a portion surrounded by a broken line 106 indicates a configuration in the lamp body of the headlamp.
  • the light source 1, the reflector 2, the projection lens 4, the relay lens 6 and the image sensor 7 are the same in the arrangement with the same components as in the first embodiment.
  • the paper surface represents a surface in the vertical direction.
  • a dimming mirror 5d is disposed in place of the half mirror 5 at the position where the half mirror 5 is disposed in the first embodiment.
  • the dimming mirror 5d is controlled by the dimming mirror control device 13, and switching between the transmission state and the reflection state is performed by an electric signal transmitted from the dimming mirror control device 13.
  • the light source 1 is controlled by the light emission control device 12 to switch between the light emission state and the non-light emission state
  • the image sensor 7 is controlled by the image sensor control device to switch between the image pickup state and the non-image pickup state.
  • the central control device 15 sends a signal to each of the light emission control device 12, the light control mirror control device 13, and the image sensor control device 14, and controls so that the states of the light source 1, the image sensor 7 and the light control mirror 5d are switched in synchronization. To do. With the synchronization control, when the light source 1 is in the light emitting state, the image sensor 7 is in the non-imaging state and the dimming mirror 5d is in the transmissive state, and when the light source 1 is in the non-light emitting state, the image sensor 7 is in the imaging state and the dimming mirror 5d. Is in a reflective state.
  • the light utilization rate is improved compared to the state where the time division control of the light source 1 and the image sensor 7 is performed in the first embodiment, leading to a reduction in power consumption.
  • the required light emission quantity of the light source 1 can be reduced, the freedom degree of the design regarding a light source improves.
  • the gain of the image sensor can be lowered, and an image with high electrical noise and a high quality can be obtained.
  • a portion surrounded by a broken line 107 indicates a configuration in the lamp body of the headlamp.
  • the dimming mirror 5d is replaced with a movable mirror 5e
  • the dimming mirror control device 13 is replaced with a movable mirror control device 13 'in the fifth embodiment.
  • the movable mirror 5e has a function of reflecting light, is controlled by the movable mirror control device 13 ', and is switched between an insertion state and a non-insertion state in the optical path by an electric signal transmitted from the movable mirror control device 13'. Control of the light source 1 and the image sensor 7 is the same as in the fifth embodiment.
  • the central control device 15 sends signals to the light emission control device 12, the movable mirror control device 13 ', and the image sensor control device 14, respectively, so that the states of the light source 1, the image sensor 7 and the movable mirror 5e are switched in synchronization. .
  • the image sensor 7 is in the non-imaging state and the movable mirror 5d is in the non-inserted state.
  • the image sensor 7 is in the imaging state and the movable mirror 5d is It is inserted.
  • the same effect as in the fifth embodiment can be obtained.
  • FIG. 15 An example of a vehicle headlamp according to the seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • a portion surrounded by a broken line 108 indicates a configuration in the lamp body of the headlamp.
  • the reflector 2, the projection lens 4, the relay lens 6, and the image pickup device 7 are the same in the arrangement with the same components as in the first embodiment.
  • the arrangement of the light source 1 is the same as that of the first embodiment, but the light source 1 is limited to a light source that emits light having random polarization.
  • the paper surface represents a surface in the vertical direction.
  • the reflective polarizing film 24 near the condensing surface 3, the position of the half mirror 5 in the first embodiment is replaced with the polarizing beam splitter 25, and the light source side surface of the projection lens 4 in place of the half mirror 5.
  • 1 / 4 ⁇ plates 26 are arranged respectively.
  • the reflective polarizing film 24 transmits only the light beam that becomes P-polarized light to the polarization beam splitter 25, and the other light rays are reflected.
  • the reflected light beam returns to the reflector 2, is reflected by the reflector 2, and returns to the direction of the light source 1. Then, it follows the same optical path as that emitted from the light source 1 again, is reflected by the reflector 2, and enters the reflective polarizing film 14.
  • the polarizing beam splitter 25 has a function of transmitting a P-polarized light beam and reflecting an S-polarized light beam, and the light beam guided from the reflective polarizing film 24 to the polarizing beam splitter transmits the polarizing beam splitter 25.
  • the light beam that has passed through the polarization beam splitter 25 is incident on the 1 / 4 ⁇ plate 26.
  • the 1 / 4 ⁇ plate 26 has a function of converting linearly polarized light into circularly polarized light during transmission of the light, and converts the incident light into circularly polarized light and emits it.
  • the emitted light is projected on the road through the projection lens 4 as circularly polarized light.
  • light rays emitted from the front of the host vehicle pass through the projection lens 4 and enter the quarter ⁇ plate 26.
  • the light emitted from the front of the vehicle is generally in a random polarization state. Therefore, even after passing through the 1 / 4 ⁇ plate, the polarized light is not particularly aligned and enters the polarization beam splitter 25 in that state.
  • the polarization beam splitter 25 Since the light beam incident on the polarization beam splitter 25 is random polarization, the polarization beam splitter 25 contains S-polarized light beam at a rate of approximately 1/2. The S-polarized light beam is reflected by the polarization beam splitter 25 and guided to the image sensor 7 through the relay lens 6.
  • the interference between the projection light and the light from the object can be suppressed without performing the time division control of the light source 1 and the image sensor 7. Therefore, a circuit for time division control is not required as compared with a method in which time division control is performed, and the projection time and imaging time become longer, the amount of projection light increases, and the gain for imaging can be suppressed.
  • the projection light is circularly polarized light, the light projected from the headlight of the vehicle can be reflected by the polarization beam splitter 15 even when a vehicle having the headlight having the same configuration is present ahead, and imaging is performed. It can be led to the element 7.
  • FIG. 16 An example of a vehicle headlamp according to an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • a portion surrounded by a broken line 109 indicates a configuration in the lamp body of the headlamp.
  • the light source 1, the reflector 2, the projection lens 4, the half mirror 5, and the image pickup device 7 are the same constituent elements as those in the first embodiment, and their operations are the same, so that the description thereof is omitted.
  • the relay lens 6 ' is different from the first embodiment, and the relay lens 6' has a function of adding a special phase to the light beam.
  • the point image on the condensing surface of the relay lens 6 ′ is blurred due to the additional phase
  • the change in the shape of the point image along the optical axis direction in the vicinity of the in-focus position is compared with the case where there is no phase addition. Become smaller.
  • the blur is removed by the image correction processing circuit 10, and the output signal of the image correction processing circuit 10 is an image with no blur and an increased depth of focus.
  • a means for expanding the depth of focus by adding a special phase and removing blur by image processing is known as a technique called Wavefront Coding (WFC).
  • Special phase can be applied by sagging the optical surface close to the aperture of the relay lens 6 '.
  • a phase having the same shape as the sag is given to the transmitted light beam regardless of the incident angle.
  • the optical surface close to the stop of the relay lens 6 ′ may be the optical surface of the phase plate inserted at the stop position when the relay lens 6 ′ is composed of a plurality of lenses.
  • An example of the shape of the phase plate in that case is shown in FIG. 17A is a view of the phase plate as viewed from the optical axis direction, and FIG. 17B is a cross-sectional view of the phase plate.
  • the phase plate is divided into a plurality of annular zones, and the cross section of each annular zone is a parabola.
  • the optical surface that gives a special phase may be an optical surface that functions as a stop.
  • a special phase can be imparted by giving the same amount of sag as in FIG. 17 to the surface functioning as an aperture.
  • the depth of focus of the relay lens 6 in the first embodiment is effective, there is an effect of further removing curvature of field as compared with the first embodiment. Further, the adjustment accuracy of the image sensor 7 can be relaxed, which can contribute to cost reduction.
  • reference numeral 110 denotes a lamp body of a headlamp.
  • the lamp body is configured as shown in the first to eighth embodiments, and a light source 1, a reflector, a projection lens, a half mirror, a relay lens, and an image sensor 7 are arranged. Of these, the reflector, projection lens, half mirror, and relay lens are not shown.
  • the light source 1 is configured to be able to control on / off of light emission corresponding to a region obtained by dividing the projection range in front of the host vehicle into a plurality of regions.
  • a method in which a specific area of the light source 1 is shielded by a shielding object may be used, or the light source 1 may be an LED matrix, and a method in which each element of the matrix is switched on and off may be used.
  • the light source 1 may be a laser capable of scanning, and the light emission state of the laser may be switched in synchronization with the scanning angle of the laser.
  • the light emitted from the light source 1 may be a matrix-shaped micro corresponding to the area of the projection range.
  • the matrix micromirror reflects incident light, but the orientation of the surface of each micromirror is switched, and light emission for each projection range depends on the orientation of the surface of each micromirror. A method of switching between ON and OFF may be used.
  • the image sensor 7 captures an object in front of the vehicle, converts it into an electrical signal, and transmits information to the image processing circuit 11.
  • the image correction processing circuit 10 described in the fifth embodiment may be a part of the image processing circuit 11 or may be provided between the image sensor 7 and the image processing circuit 11.
  • the image processing circuit 11 detects objects such as an oncoming vehicle and a preceding vehicle, and transmits information on the positions of the objects in the image to the light emission control device 12.
  • the light emission control device 12 determines an appropriate irradiation area based on the information received from the image processing device 11, and controls light emission on / off of the light source 1 based on the determination.
  • an image with a small blur can be acquired over the entire imaging surface in the vehicle headlamp in which the imaging element is arranged in the lamp body, so that light emission control can be performed with high accuracy.
  • this invention is not limited to said Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
  • Each of the above-described configurations, functions, processing units, processing means, and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them with, for example, an integrated circuit.
  • Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by interpreting and executing a program that realizes each function by the processor.
  • Information such as programs, tables, and files for realizing each function can be stored in a memory, a hard disk, a recording device such as an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.
  • the control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.
  • SYMBOLS 1 Light source, 2 ... Reflector, 3 ... Virtual light emission surface, 3 '... Condensing surface, 4 ... Projection lens 5 ... Half mirror, 5d ... Dimming mirror, 5e ... Movable mirror, 6 ... Relay lens, DESCRIPTION OF SYMBOLS 7 ... Imaging device, 8 ... Total reflection mirror, 10 ... Image correction processing circuit, 11 ... Image processing circuit 12 ... Light emission control apparatus, 14 ... Reflection type polarizing film, 15 ... Polarization beam splitter, 16 ... 1 / 4 ⁇ plate 110 ... Lamp body

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Abstract

NAが大きい投射レンズを、半画角15°以上を必要とする撮像用レンズとして利用すると大きな像面湾曲が発生する。　ランプボディを備える車両用灯具であって、前記ランプボディは、光源と、前記光源からの出射光束を取り込んで投射しかつ外部からの光を取り込み集光する投射レンズと、前記投射レンズより集光した光を取り込み集光するリレーレンズと、前記リレーレンズが集光した光を受光し、物体を撮像する撮像素子と、を備え、前記リレーレンズの開口の大きさは、前記リレーレンズの位置において、平行光束が前記投射レンズに入射することによりできる光束の大きさに基づくことを特徴とする車両用灯具。

Description

車両用灯具及び車両用灯具システム
　本発明は、車両用灯具及び車両用灯具システムに関する。
　夜間運転中の自動車は運転者の視界が悪いため事故の発生率が高い。安全上の観点からヘッドランプの点灯が義務付けられているが、走行用前照灯（ハイビーム）を点灯すると、対向車や先行車の運転者を眩惑させてしまうことがある。すれ違い用前照灯（ロービーム）を点灯するとこれを防止することができるが、ロービームでは十分な視界の確保ができない。
  近年、この課題を解決するために、前方の対向車や先行車などの物体を認識し、この認識結果に基づいて前照灯の配光を適切に制御する技術が提案されており、普及しつつある。例えば特許文献１ではカメラにより取得した画像を利用して対向車を検出し、対向車に対応する領域にはビームが非照射あるいは減光状態となるように前照灯を制御する技術が提案されている。このような技術はAdaptive Driving Beam(ADB)と呼ばれる。
特開2008-207738 特開2010-260379
　ADBではカメラが必須であり、カメラは通常フロントガラスの上部に設置される。しかし、このようにカメラと前照灯が別体の構成ではそれぞれの光軸が一致しないので、カメラで撮像する領域と前照灯の照射する領域にいわば視差が発生する。このため、例えば自車の前方で近い距離に、高さが前照灯の取り付け位置より高くカメラの取り付け位置より低い障害物がある場合には、当該障害物より遠くにあり、障害物に遮光されて前照灯で照射できない範囲もカメラで撮像できてしまい、その範囲に対して画像処理を行うので余計な演算が行われることになる。逆に前照灯で照射できる範囲がカメラで撮像できない状況も考えられ、この場合には本来非照射となるべき領域を照射してしまう可能性がある。また、カメラと前照灯が別体の構成では遠方においてカメラによる認識領域と前照灯の照射領域を一致させる必要があるので、カメラを自動車に搭載する際にその光軸を前照灯の光軸に合わせて調整する作業が必要となる。さらにはカメラと前照灯を接続する配線を車両内部に設けるが必要があり、省スペース、低コストの実現の障害となる。
　上記のような課題を解決するため特許文献２では前照灯のランプボディ内に撮像素子を配置するという構成を提案している。特許文献２の提案では自車の前方から発せられる光を投射レンズを通してセンサで検出する方式を採用している。つまり投射レンズを撮像用にも利用する方式となっている。
  しかし、通常、車両用前照灯は光源からの光束を効率良く取り込むために開口数（NA）の大きな投射レンズを使用している。また国土交通省の法令によるとADBの実施のためには水平方向に少なくとも±15°の認識範囲が必要である。そして、一般にレンズは収差を持っており、そのうちの一つに分類される像面湾曲はNAに比例し、半画角のタンジェントの２乗に比例する。従って、NAが大きい投射レンズを、半画角15°以上を必要とする撮像用レンズとして利用すると大きな像面湾曲が発生し、取得画像は外縁部付近で大きなぼけを持った画像になってしまう。このため物体の認識精度が低下する。
　本発明は、上記従来技術の課題に鑑みて為されたものであって、ランプボディ内に撮像素子を配置した車両用前照灯において像面湾曲を大幅に抑制し、全面に渡ってぼけの小さい画像を取得し、高精度で物体を認識するための技術を提供するものである。
　上記課題を解決するために、本発明は、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。その構成の一例は、例えば、ランプボディを備える車両用灯具であって、前記ランプボディは、光源と、前記光源からの出射光束を取り込んで投射しかつ外部からの光を取り込み集光する投射レンズと、前記投射レンズより集光した光を取り込み集光するリレーレンズと、前記リレーレンズが集光した光を受光し、物体を撮像する撮像素子と、を備え、前記リレーレンズの開口の大きさは、前記リレーレンズの位置における、平行光束が前記投射レンズで入射されることによりできた位置において、平行光束が前記投射レンズに入射することによりできる光束の大きさに基づくことを特徴とする車両用灯具である。
　本発明によれば、ランプボディ内に撮像素子を配置した車両用前照灯において像面湾曲を大幅に抑制し、全面に渡ってぼけの小さい画像を取得できる。その結果、前方の対向車や先行車などの物体の認識精度が向上し、高精度のADBが実施できる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにする。
一般的な前照灯の構成例を示す図。 従来提案のランプボディ内に撮像素子を配置した前照灯の構成を示す図。 従来提案方式での像面湾曲の発生についての説明のための図 本発明の第１実施例の構成を表す図。 本発明の第１実施例の別の構成を表す図。 本発明の第１実施例における設定条件を説明するための図。 本発明の第１実施例における設定条件を説明するための図。 本発明の第１実施例で像面湾曲が抑制されていることを説明するための図。 従来提案方式と本発明の第１実施例での集光度合いを比較するための図。 本発明の第２実施例の構成を表す図。 本発明の第３実施例の構成を表す図。 本発明の第４実施例の構成を表す図。 本発明の第５実施例の構成を表す図。 本発明の第６実施例の構成を表す図。 本発明の第７実施例の構成を表す図。 本発明の第８実施例の構成を表す図。 本発明の第８実施例における位相板の形状の一例を表す図。 本発明の第９実施例の構成を表す図。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。尚、同様な機能または構成を有する要素には同一の符号を付し、重複した説明は省略するものとする。
　図１から図９を用いて本発明の第１実施例に係わる車両用前照灯の例を説明する。
  まず、図１を用いて一般的な前照灯の構成および動作を説明する。図１において破線１００で囲まれた部分は前照灯のランプボディ内部の構成を示しており、ランプボディ内には光源１、リフレクタ２、投射レンズ４が配置されている。光源１から発した光線はリフレクタ２で反射され図中３で示す様な仮想発光面に一旦結像する。図では作図の都合上、光源１から発して仮想発光面３と光軸の交点に集光する光線のみを記しているが、実際には光源１から発した光は仮想発光面３上のあらゆる点に集光する。そして仮想発光面３に集光した光はあたかも仮想発光面３から発したかのように振る舞う。仮想発光面３と投射レンズ４の距離は投射レンズ４の焦点距離ｆに設定されており、仮想発光面の各点から発する光線は投射レンズ４を通して平行光に変換され投射レンズ４より前方、すなわち自車の前方に照射される。
　次に図２を用いて特許文献２で提案されている、投射レンズを集光用レンズとしても利用する方式の構成及び動作について説明する。図２において破線１０１で囲まれた部分は前照灯のランプボディ内の構成を示している。光源１、リフレクタ２、投射レンズ４については図１と同一の構成要素であり、光源から投射レンズ４に到る光線の挙動についても図１と同様なので説明を省略する。ここで投射レンズ４は仮想発光面３から発する光を自車の前方に投射するだけでなく、自車の前方の物体からの光を集光する役割も担っている。検出対象としている自車の前方の物体は無限遠に位置していると考えてよく、物体の発した光線は平行光として投射レンズ４に入射する。この光路は仮想発光面３上の点から発する光線と同一であるので、無限遠物体の発した光線の集光点は仮想発光面３上となる。ただし、ここでは投射レンズ４とリフレクタ２の間にハーフミラー５が配置されており、物体の発した光線の一部はハーフミラー５を透過して仮想発光面３上に集光するが、他の一部はハーフミラー５により反射され、仮想発光面３のハーフミラー５に対して対称な位置に位置する集光面３´に集光する。
　集光面３´の位置に撮像素子を配置することにより自車の前方の物体を撮像することができる。ここでハーフミラー５は光路を分割する役割を担っていればよく、ハーフミラーではなくハーフプリズムのような構成であっても構わない。また、光源１からの投射光と物体からの光との干渉を防ぐ手段としては光源１の発光と撮像とを時分割で制御する方法が特許文献２で提案されている。
　ここで図３を用いて図２の系での撮像には大きな像面湾曲が伴うことの説明をする。図３は投射レンズ４に平行光が入射した状態のシミュレーション結果である。投射レンズ４の焦点距離ｆおよび開口径Ｄは一般的な投射レンズの値を採用し、それぞれｆ＝55mm,Ｄ＝61mmとした。NA=Ｄ/2/ｆで表されるNAは0.55である。面形状も一般的な投射レンズの形状を採用している。また入射光束の入射角度は0°と21.8°として計算を行った。図３において紙面は水平方向の面を表しており、入射角21.8°は水平方向の画角を意図した角度である。図２に示した系では撮像側の光路は途中ハーフミラー５によって折り曲げられているが、ここでの説明には無関係なのでハーフミラー５は省略し、光路は折り曲げられていないものとして示している。図３を見ると0°入射の光束は投射レンズの主点からｆの距離にある面３´上に集光しているが、21.8°入射の光束は主点から43ｍｍの距離、つまり0°入射の光束の集光点よりも12ｍｍ手前側に集光している。すべての入射角をつないだ像面としては破線３″で示すような湾曲した形状になっていることが推測できる。これは像面湾曲と呼ばれる収差の表れであり、像面湾曲の大きさはNAに比例し、入射角度のタンジェンシャルの２乗に比例する。
　車両用の前照灯では効率良く光源の光束を取り込むためにNAが大きく設定されているために、このように大きな像面湾曲が発生する。撮像素子は半導体部品であり、製造過程の都合上、平面状に作られるのが通常である。このため撮像素子を面３´上に配置すると0°入射の光束は集光状態となるが、21.8°入射の光束は大きくぼけた点像の状態で撮像素子に入射することになる。この場合、画像の中心では品質の高い像が得られるが、画像の外縁部付近では品質の低い像しか得られない。逆に21.8°入射の光束が集光する位置に撮像素子を配置すると0°入射の光束はぼけた状態で入射するので、画像の外縁部でしか品質の高い像は得られない。このような理由で撮像素子をどこに配置しても画像全体で品質の高い像を取得することができない。
　次に図４、５を用いて本発明の第１実施例の構成および動作について説明する。図４において破線１０２で囲まれた部分は前照灯のランプボディ内の構成を示している。光源１、リフレクタ２、投射レンズ４、ハーフミラー５については図２と同一の構成要素であり、光線の挙動についても同様なので説明を省略する。図４において紙面は鉛直方向の面を表している。自車の前方の物体からの光線は集光面３´に集光した後あたかも集光面３´から発したかのように振る舞う。リレーレンズ６にはこの集光面３´から発したかのような光線が入射する。リレーレンズ６に入射した光束はリレーレンズ６のレンズ作用を受けた後、撮像素子７上で合焦する。なお、図４においてハーフミラー５は入射光束を鉛直方向に反射する構成となっているが、これは水平方向に反射する構成よりも望ましい。この理由について図４と図５を比較して説明する。
　図５において破線１０２´で囲まれた部分は前照灯のランプボディ内の構成を示している。光源１、リフレクタ２、投射レンズ４については図２と同一の構成要素であり、配置も同一である。図５において紙面は水平方向の面を表している。ハーフミラー５ｂは入射光束を水平方向に反射する構成になっており、リレーレンズ６は該反射光束を取り込む位置に配置されている。リレーレンズ６でレンズ作用を受けた光束は撮像素子７上で合焦する。一般に前照灯の照射角度は鉛直方向よりも水平方向の方が大きいので、仮想発光面３の長さは水平方向の方が長い。また、ADBのために画像が必要な範囲もこれに対応して鉛直方向よりも水平方向の方が広い。これに対応するためハーフミラーは鉛直方向よりも水平方向の方を長くする必要があるが、図５の構成ではハーフミラーの長手方向が投射レンズ４、リフレクタ２に近い方向の空間を占める状態になるため、図４の構成に比べて投射レンズ４とリフレクタ２の必要な間隔が大きくなる。このため図４の構成の方が投射レンズ４とリフレクタ２の間隔の設計の自由度が高くなるので望ましい。
　次に図６、図７を用いて本発明におけるリレーレンズの設定条件について説明する。図６、図７は図４の構成のうち、投射レンズ４、集光面３´、リレーレンズ６、撮像素子７について抜き出し、投射レンズ４、リレーレンズ５を理想レンズとして表現したものである。図４に示した系ではこれらの構成による光路は途中ハーフミラー５によって折り曲げられているが、ここでの説明には無関係なのでハーフミラー５は省略し、光路は折り曲げられていないものとして示している。
　図６は入射角０°で投射レンズ４に平行光束が入射している状態を表している。投射レンズ４に入射した光束は一旦集光面３´で集光した後再び発散し、リレーレンズ６の位置では直径D1の大きさを持つ光束となる。リレーレンズ６の開口Dｒをこの光束D1より小さく設定することにより、リレーレンズ６は絞りの役割を果たし、投射レンズ４への入射光束の一部だけを切り取り撮像素子７に導くことになる。このように光束を制限すると波面の収差が小さくなり光束の収束が容易になる。このためリレーレンズ６の面設計が容易になり設計により、面設計による像面湾曲の抑制も容易になる。
　投射レンズ４の開口をD、焦点距離をｆ、集光面３´からリレーレンズまでの距離をＬとすると、Dr＜D1となる条件はDr/L＜D/fと書き直せる。尚、一般に知られているケプラー式望遠鏡、顕微鏡などでは接眼レンズがリレーレンズの役割を果たしているが、絞りの役割を果たすのは接眼レンズではなく対物レンズである。また、像面湾曲の大きさはNAに比例するので、リレーレンズ６のNAを投射レンズ４のNAよりも小さくすることによっても像面湾曲を抑制することができる。但しこの場合、リレーレンズ６に入射する光束は平行光ではないのでNAの代わりに実効NAが像面湾曲の大きさを決める要素となる。リレーレンズの実効NAとはリレーレンズ６の開口をDｒ、リレーレンズ６の主平面から合焦面までの距離をfｒとしたときにDr/2/ｆrで表される値である。また、投射レンズ４のNAは投射レンズ４の開口Dと焦点距離ｆを使ってD/2/fで表される。つまり像面湾曲を抑制する条件はDr /fr＜D/fである。
　図７は入射角θ１で投射レンズ４に平行光束が入射する状態を表している。この光束は投射レンズ４からｆの距離の集光面３´の像高ftanθ1の位置に合焦する。合焦した光束の一部はリレーレンズ６に入射する。リレーレンズ６への入射角をθ２とすると、ｆtanθ1＝Ｌtanθ２と表せる。L＞ｆと設定することによりθ1＞θ2となり、光束の入射角はリレーレンズへの入射に際して小さい値に変換される。像面湾曲は入射角のタンジェンシャルの２乗に比例するので、この結果、像面湾曲を抑制できる。
　次に本発明におけるリレーレンズの設定を用いた系でのシミュレーション結果を示す。図８は投射レンズ４に入射角0°と入射角21.8°の平行光束が入射している状態を示している。図７において投射レンズ４は図３で示したものと同一の設定でありD＝61mm、ｆ=55mmである。合焦面３´からリレーレンズ６の主点までの距離は180mm、リレーレンズの開口径Dr=11mm、焦点距離fr=22mmである。リレーレンズは単レンズ構成とした。図中紙面は水平方向を表している。このような設定にした結果、リレーレンズ６が絞りとして機能することになり、リレーレンズ６は投射レンズ４への入射光束の一部だけを入射光束として取り込む。また、リレーレンズ６の実効NAは0.25となり、投射レンズ４のNA0.55より小さくなっている。また、投射レンズ４への入射角θ1（=21.8°）の光束はリレーレンズ６への入射角としてはθ２（=7.2°）に変換され、小さい値になる。リレーレンズ６が取り込み光束に制限を与えているためリレーレンズ６の面形状は設計し易くなっており、設計の結果像面湾曲を抑制する効果を持たせることができている。その面形状は図７の拡大図に示す様な形状である。さらに、リレーレンズ６の実効NAを投射レンズのNAより小さく設定し、L＞fと設定した結果として像面湾曲は抑制されており、図７の拡大図で示すように二つの光束はほぼ同一平面上で焦点を形成する。この平面上に撮像素子７を配置することにより画像の全域に渡って品質の高い像を取得することができる。
　図９は図３および図８に示した系の各入射角での光線追跡結果を表している。図中上半分に示すＡ欄では図３の系での集光面３´上での各入射角光束の光線の到達点を示しており、下半分に示すＢ欄では図７の系での撮像素子７上での各入射角光束の光線の到達点を示している。Ａ、Ｂ各欄ともに投射レンズ４に対する光束の入射角を0°、10°、21.8°として計算した結果を示している。なお、集光面３´上と撮像素子７上では像の結像倍率が異なっており、集光面３´上では撮像素子７上の約８倍の大きさの像が得られる。そこで光線の集光度合いを平等に比較するためにＡ欄のスケールはＢ欄のスケールの８倍としてある。Ａ欄とＢ欄を比較すると分かるようにＡ欄では入射角度の増加とともに光線の集光度合いが悪くなり、入射角21.8°では表示範囲の約2/3の範囲にまで光線が広がってしまうのに対して、Ｂ欄では入射角度が増加しても殆ど集光の状態は変わらず、入射角度21.8°でも良好な集光状態となっている。
　このように本実施の形態では、ランプボディ内に撮像素子を配置した車両用前照灯において、Dr/L＜D/f かつDr /fr＜D/fかつL＞ｆと設定することにより像面湾曲を大幅に抑制し、撮像面全体に渡ってぼけの小さい画像を取得できる。
　図１０を用いて本発明の第２実施例に係わる車両用前照灯の例を説明する。図１０において破線１０３で囲まれた部分は前照灯のランプボディ内の構成を示している。光源１、リフレクタ２、投射レンズ４、リレーレンズ６、撮像素子７については第１実施例と同一の構成要素である。図１０において紙面は鉛直方向の面を表している。本実施例ではハーフミラーの構成が第１実施例と異なっており、本実施例におけるハーフミラー５´は第１実施例のハーフミラー５よりもサイズが小さい。第１実施例で説明したように投射レンズ４は光束を投射するが、その投射領域は、投射レンズの光軸よりも上方に向けて出射する光束が投射されるハイビーム投射領域と、投射レンズの光軸よりも下方に向けて出射する光束が投射されるロービーム投射領域とに分けられる。ロービーム投射領域は他車の運転者に眩惑作用を与える可能性のない領域である。
　図中L0で代表される出射光束がロービーム投射領域に投射される光束である。そして、ハーフミラー５´は、図中破線で示す光束L1に代表されるようなロービーム投射領域から発して投射レンズ４に入射する光束は入射せず、光束L2に代表されるようなハイビーム投射領域から発して投射レンズ４に入射する光束は入射する構成になっている。そのため、集光面３ｃ´にはロービーム投射領域から発する光束は集光せず、ハイビーム投射領域から発する光束が集光する。撮像素子７にはリレーレンズ６を通してハイビーム投射領域から発する光束が到達する。
　本実施例では第１実施例に比べハーフミラーを小型化でき低価格化、軽量化、省スペース化を実現できる。またロービーム投射領域へ投射する光束の一部は、ハーフミラーを透過することなく投射されるので光利用率を向上することができる。本実施例の場合、撮像素子７に導かれる光束はハイビーム投射領域から発する光束のみとなるが、ロービーム投射領域は光束を投射しても眩惑作用を与える可能性のない領域なので、光束を非照射あるいは減光状態にする必要のない領域である。従ってADBの実施に何ら不都合を与えない。
　図１１を用いて本発明の第３実施例に係わる車両用前照灯の例を説明する。図１１において破線１０４で囲まれた部分は前照灯のランプボディ内の構成を示している。光源１、投射レンズ４、リレーレンズ６、撮像素子７については第１実施例と同一の構成要素であるがリレーレンズ６、撮像素子７は配置が異なっている。図１１において紙面は鉛直方向の面を表している。本実施例ではリフレクタ２´が部分的にハーフミラーとなっていて、光源１から発した光線を反射して仮想発光面３に結像する機能を有しつつ、自車の前方の物体から発し、投射レンズ４にて集光された光束を透過させる機能を有している。自車の前方の物体から発し、投射レンズ４にて集光された光束は一旦仮想発光面３に集光した後、リフレクタ２´を透過しリレーレンズ６に入射する。リレーレンズ６に入射した光束はリレーレンズ６のレンズ作用を受けた後、撮像素子７上で合焦する。
　本実施例においては光源１は投射レンズ４からリレーレンズ６に向かう光路を遮らないように光軸からずれた位置に配置されていてもよい。また、リフレクタ２´は投射レンズ４からリレーレンズ６に向かう光束の透過する部分だけがハーフミラーになっており、残りの部分は全反射ミラーになっていてもよいし、投射レンズ４からリレーレンズ６に向かう光束を遮らないように部分的に穴が開いており、残りの部分は全反射ミラーになっていてもよい。また、第２実施例と同様にハイビーム照射角度に対応する角度からの入射光束のみが撮像素子７に導かれる構成になっていてもよい。
　本実施例では第１実施例におけるハーフミラー５を省略できるので低価格化、軽量化が実現できる。また、リフレクタ１と投射レンズ４との間にハーフミラーの配置のための空間を設ける必要がないので設計の自由度が向上する。
　図１２を用いて本発明の第４実施例に係わる車両用前照灯の例を説明する。図１２において破線１０５で囲まれた部分は前照灯のランプボディ内の構成を示している。光源１、リフレクタ２、投射レンズ４、ハーフミラー５、リレーレンズ６、撮像素子７については第１実施例と同一の構成要素であるが、リレーレンズ６、撮像素子７の配置が異なる。図１２において紙面は鉛直方向の面を表している。本実施例においては光路中ハーフミラー５とリレーレンズ６の間に全反射ミラー８を設けている。リレーレンズ６は全反射ミラー８により反射された光束を取り込み撮像素子７上に集光させる。
　本実施例では第１実施例よりも光学系の設計の自由度が上がり、光学系を含む構造体としてのランプボディの形状設計の自由度も上がるので、自動車内のランプボディ設置空間の要求への対応が容易になる。
　図１３を用いて本発明の第５実施例に係わる車両用前照灯の例を説明する。図１３において破線１０６で囲まれた部分は前照灯のランプボディ内の構成を示している。光源１、リフレクタ２、投射レンズ４、リレーレンズ６、撮像素子７については第１実施例と同一の構成要素あり配置も同様である。図１３において紙面は鉛直方向の面を表している。本実施例においては第１の実施例においてハーフミラー５が配置される位置にハーフミラー５に代えて調光ミラー５ｄが配置されている。調光ミラー５ｄは調光ミラー制御装置１３により制御され、調光ミラー制御装置１３の発信する電気信号により、透過状態、反射状態の切り替えが行われる。光源１は発光制御装置１２により制御され発光状態と非発光状態の切り替えが行われ、撮像素子７は撮像素子制御装置により制御され撮像状態と非撮像状態の切り替えが行われる。
　中央制御装置１５は発光制御装置１２、調光ミラー制御装置１３、撮像素子制御装置１４のそれぞれに信号を送り、光源１、撮像素子７、調光ミラー５ｄの状態が同期して切り替わるように制御する。当該同期制御により、光源１が発光状態の場合、撮像素子７は非撮像状態、調光ミラー５ｄは透過状態となり、光源１が非発光状態の場合、撮像素子７は撮像状態、調光ミラー５ｄは反射状態となる。
　本実施例では第１実施例で光源１と撮像素子７の時分割制御を実施した状態よりも光利用率が向上し、消費電力の低下につながる。また、光源１の必要発光光量を低減できるので光源に関わる設計の自由度が向上する。また、撮像素子７に導かれる光量が増加するので撮像素子のゲインを下げることができ、電気的ノイズが少なく品質の高い画像を得られる。
　図１４を用いて本発明の第６実施例に係わる車両用前照灯の例を説明する。図１４において破線１０７で囲まれた部分は前照灯のランプボディ内の構成を示している。本実施例は第５実施例において調光ミラー５ｄを可動ミラー５eに、調光ミラー制御装置１３を可動ミラー制御装置１３´にそれぞれ置き換えたものである。可動ミラー５eは光を反射する機能を持ち、可動ミラー制御装置１３´により制御され、可動ミラー制御装置１３´の発信する電気信号により、光路への挿入状態、非挿入状態の切り替えが行われる。光源１、撮像素子７の制御については第５実施例と同様である。
　中央制御装置１５は発光制御装置１２、可動ミラー制御装置１３´、撮像素子制御装置１４のそれぞれに信号を送り、光源１、撮像素子７、可動ミラー５eの状態が同期して切り替わるように制御する。当該同期制御により、光源１が発光状態の場合、撮像素子７は非撮像状態、可動ミラー５ｄは非挿入状態となり、光源１が非発光状態の場合、撮像素子７は撮像状態、可動ミラー５ｄは挿入状態となる。
  本実施例では第５実施例と同様の効果が得られる。
　図１５を用いて本発明の第７実施例に係わる車両用前照灯の例を説明する。図１５において破線１０８で囲まれた部分は前照灯のランプボディ内の構成を示している。リフレクタ２、投射レンズ４、リレーレンズ６、撮像素子７については第１実施例と同一の構成要素あり配置も同様である。光源１の配置は第一実施例と同一であるが、光源１はランダムな偏光を持つ光線を発する光源に限定する。図１５において紙面は鉛直方向の面を表している。本実施例においては集光面３の付近に反射型偏光フィルム２４、実施例１のハーフミラー５の位置にハーフミラー５に代えて偏光ビームスプリッタ２５、投射レンズ４の光源側の面の付近に1/4λ板２６がそれぞれ配置されている。反射型偏光フィルム２４は光源１から発してリフレクタ２により反射された光線のうち、偏光ビームスプリッタ２５に対してＰ偏光となる光線だけを透過し、それ以外の光線は反射する。当該反射光線はリフレクタ２に戻り、リフレクタ２により反射され光源１の方向に戻される。そして再び光源１から発したのと同様の光路を辿りリフレクタ２により反射され、反射型偏光フィルム１４に入射する。
　このとき当該光線のうちある程度の割合の光線は先に説明した光路中の複数回の反射により偏光方向を変えており、偏光ビームスプリッタ２５に対してＰ偏光となっており、反射型偏光フィルム２４を透過する。そしてそれ以外の光線は再び反射型偏光フィルム２４により反射される。この繰り返しにより光源１から発した光線のうち半分以上の光線が反射型偏光フィルム２４を透過する。偏光ビームスプリッタ２５はＰ偏光の光線を透過させ、Ｓ偏光の光線を反射する機能を有しており、反射型偏光フィルム２４から偏光ビームスプリッタに導かれた光線は偏光ビームスプリッタ２５を透過する。偏光ビームスプリッタ２５を透過した光線は1/4λ板２６に入射する。
　1/4λ板２６は光線の透過の際に直線偏光の光線を円偏光の光線に変換する機能を有しており、当該入射光線を円偏光に変換して出射する。当該出射光線は投射レンズ４を通して円偏光のまま路上に投射される。一方、自車前方から発した光線は投射レンズ４を透過して1/4λ板２６に入射する。自車前方から発した光は一般にランダムな偏光状態である。そのため1/4λ板を透過した後も、特に偏光が揃うことはなくその状態で偏光ビームスプリッタ２５に入射する。偏光ビームスプリッタ２５に入射する光線はランダムな偏光なのでほぼ１/２の率で、偏光ビームスプリッタ２５に対してＳ偏光の光線が含まれている。当該Ｓ偏光の光線は偏光ビームスプリッタ２５により反射されリレーレンズ６を通して撮像素子７に導かれる。
　本実施例では光源１と撮像素子７の時分割制御を実施することなく、投射光と物体からの光の干渉を抑制できる。そのため時分割制御を行う方式に比べ、時分割制御のための回路が不要であり、投射時間、撮像時間が長くなり、投射光量が増加し、撮像のためのゲインの抑制が可能となる。また、投射光が円偏光となるので、同じ構成の前照灯を備えた車両が前方に存在する場合にも当該車両の前照灯から投射された光を偏光ビームスプリッタ１５で反射でき、撮像素子７に導くことができる。
　図１６、図１７を用いて本発明の第８実施例に係わる車両用前照灯の例を説明する。図１６において破線１０９で囲まれた部分は前照灯のランプボディ内の構成を示している。光源１、リフレクタ２、投射レンズ４、ハーフミラー５、撮像素子７については第１実施例と同一の構成要素であり作用も同様なので説明を省略する。本実施例においてはリレーレンズ６´が第１実施例と異なっており、リレーレンズ６´には光束に特殊な位相を付加する機能が設けられている。当該付加位相によりリレーレンズ６´の集光面での点像にはぼけが生じるが、合焦位置付近での光軸方向に沿った点像の形状の変化は当該位相付加がない場合に比べて小さくなる。そして当該ぼけは画像補正処理回路１０で除去され、画像補正処理回路１０の出力信号としてはぼけがなく焦点深度が拡大された画像となる。このように特殊な位相を付加し、画像処理によりぼけを除去することにより焦点深度を拡大する手段はWavefront Coding (WFC)と呼ばれる技術として知られている。
　特殊な位相の付与はリレーレンズ６´の絞りに近い光学面にサグを与えることにより実現できる。絞りに近い光学面にサグを与えることにより入射角によらず、透過光束にサグと同形状の位相を付与することになる。リレーレンズ６´の絞りに近い光学面はリレーレンズ６´が複数レンズによる構成の場合、絞り位置に挿入した位相板の光学面であってよい。その場合の位相板の形状の一例を図１７に示す。図１７において（ａ）は位相板を光軸方向から見た図、（ｂ）は位相板の断面図である。位相板は複数の輪帯に分かれており、各輪帯の断面は放物線となっている。またリレーレズ６´が単レンズの場合、特殊な位相を付与する光学面は、絞りとして機能する光学面であってよい。絞りとして機能する面に図１７と同量のサグを与えることによって特殊な位相の付与が可能である。
　本実施例では第一実施例におけるリレーレンズ６の焦点深度が拡大する効果があるので、第一実施例に比べてさらに像面湾曲を除去する効果がある。また撮像素子７の調整精度が緩和できコスト低減に寄与できる。
　図１８を用いて本発明の第９実施例に係わる車両用前照灯システムの例を説明する。図１８において１１０は前照灯のランプボディである。ランプボディは実施例１から８で示したような構成になっており、光源１、リフレクタ、投射レンズ、ハーフミラー、リレーレンズ、撮像素子７が配置されている。このうちリフレクタ、投射レンズ、ハーフミラー、リレーレンズの図示は省略している。光源１は自車前方の投射範囲を複数に分割した領域に対応して発光のオン、オフの制御ができる構成になっている。具体的には光源１の特定の領域が遮蔽物に遮蔽される方式であってもよいし、光源１はLEDマトリクスであり、マトリクスの各要素のオン、オフが切り替わる方式であってもよいし、光源１が走査可能なレーザでありレーザの走査角に同期してレーザの発光状態が切り替わる方式であってもよいし、光源１から発した光が投射範囲の領域に対応するマトリクス状のマイクロミラーに入射する構成になっており、当該マトリクスマイクロミラーは入射光を反射するが、各マイクロミラーの面の向きが切り替わる構成になっており、各マイクロミラーの面の向きにより投射範囲ごとの発光のオン、オフが切り替わる方式であってもよい。
　撮像素子７は自車前方の物体を撮像し、電気信号に変換し画像処理回路１１に情報を伝達する。実施例５で説明した画像補正処理回路１０はこの画像処理回路１１の一部であってもよいし、撮像素子７と画像処理回路１１の間に設置されていてもよい。画像処理回路１１は対向車、先行車などの対象物を検出し、それらの対象物の画像中の位置の情報を発光制御装置１２に伝達する。発光制御装置１２は画像処理装置１１から受け取った情報を元に適切な照射領域を決定し、その決定に基づき光源１の発光オン、オフの制御を行う。
　本実施の形態では、ランプボディ内に撮像素子を配置した車両用前照灯において撮像面全体に渡ってぼけの小さい画像を取得できるので、高精度での発光制御が実施できる。
　なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
  また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
  また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
  また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
  また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
１…光源、２…リフレクタ、３…仮想発光面、３´…集光面、４…投射レンズ
５…ハーフミラー、５ｄ…調光ミラー、５ｅ…可動式ミラー、６…リレーレンズ、
７…撮像素子、８…全反射ミラー、１０…画像補正処理回路、１１…画像処理回路
１２…発光制御装置、１４…反射型偏光フィルム、１５…偏光ビームスプリッタ、
１６…1/4λ板
１１０…ランプボディ

Claims (17)

  1. 　ランプボディを備える車両用灯具であって、
    　前記ランプボディは、
    　光源と、
    　前記光源からの出射光束を取り込んで投射しかつ外部からの光を取り込み集光する投射レンズと、
    　前記投射レンズより集光した光を取り込み集光するリレーレンズと、
    　前記リレーレンズが集光した光を受光し、物体を撮像する撮像素子と、を備え、
    　前記リレーレンズの開口の大きさは、前記リレーレンズの位置において、平行光束が前記投射レンズに入射することによりできる光束の大きさに基づくことを特徴とする車両用灯具。
  2. 　請求項１に記載の車両用灯具であって、
    　前記投射レンズの開口径をD、前記投射レンズの焦点距離をf、リレーレンズの開口径をDr、前記投射レンズにより形成される光軸上無限遠物体の像点からリレーレンズの主点までの光軸に沿った距離をLとすると、Dr/L＜D/fとなることを特徴とする車両用灯具。
  3. 　請求項２記載の車両用灯具であって、
    　前記リレーレンズの像側の実効NAは、前記投射レンズのNAよりも小さいことを特徴とする車両用灯具。
  4. 　請求項３の車両用灯具であって、
    　前記リレーレンズは、L>ｆの条件を満たす位置に配置されていることを特徴とする車両用灯具。
  5. 　請求項１記載の車両用灯具であって、
    　前記ランプボディは、光源と投射レンズの間に光束の一部を反射する光路分割部を備え、
    　前記光路分割部は反射面を有しており、前記反射面は二つの長辺と二つの短辺を有しており、前記長辺のうちの一方の長辺は反射面の中心よりも投射レンズに近く、もう一方の長辺は光源に近くなるように設置されていることを特徴とする車両用灯具。
  6. 　請求項１記載の車両用灯具であって、
    　前記ランプボディは、光源と投射レンズの間に光束の一部を反射する光路分割部を備え、
    　前記光路分割部は投射レンズの光軸よりも上方から投射レンズへ入射する光束をリレーレンズに導くことを特徴とする車両用灯具。
  7. 　請求項１記載の車両用灯具であって、
    　前記ランプボディは光源から発する光を反射して投射レンズに導くリフレクタを備え、
    　投射レンズが前記外部より取り込み集光した光束は前記リフレクタに入射し、前記リフレクタの当該光束が入射する部分は透過性があることを特徴とする車両用灯具。
  8. 　請求項１記載の車両用灯具であって、
    　前記ランプボディは光源から発する光を反射して投射レンズに導くリフレクタを備え、投射レンズが前記外部より取り込み集光した光束は前記リフレクタに入射し、前記リフレクタの当該光束が通過する部分には穴が開いていることを特徴とする車両用灯具。
  9. 　請求項１記載の車両用灯具を有する車両用灯具システムであって、
    　前記車両用灯具システム全体を制御する中央制御部を備え、
    　前記ランプボディは、前記光源と前記投射レンズの間に、反射状態と透過状態について電気制御可能な調光ミラーを備え、
    　前記調光ミラーが透過状態の場合には前記光源から発した光は当該調光ミラーを透過し投射レンズに入射し、
    　前記調光ミラーが反射状態の場合には、投射レンズが前記外部より取り込み集光した光は、当該調光ミラーにより反射され、前記リレーレンズを透過して撮像素子に導かれ、
    　前記中央制御部は、前記光源が発光状態の場合に、前記調光ミラーは透過状態となり、前記撮像素子が撮像状態の場合に、前記調光ミラーは反射状態になるように光源及び撮像素子と同期して制御することを特徴とする車両用灯具システム。
  10. 　請求項１記載の車両用灯具を有する車両用灯具システムであって、
    　前記車両用灯具システム全体を制御する中央制御部を備え、
    　前記ランプボディは、前記光源と前記投射レンズの間に抜差し可能な可動式ミラーを備え、
    　前記車両用灯具は前記可動式ミラーを制御する可動式ミラー制御部を備え、
    　前記可動式ミラーが挿入されていない場合には前記光源から発した光は前記投射レンズに入射し、
    　前記可動式ミラーが挿入されている場合には、投射レンズが前記外部より取り込み集光した光は、当該可動式ミラーにより反射され、前記リレーレンズを透過して撮像素子に導かれ、
    　前記中央制御部は、前記光源が発光状態の場合に前記可動式ミラーを前記光路に挿入しないよう制御し、前記撮像素子が撮像状態の場合に前記可動式ミラーを挿入するよう光源及び撮像素子と同期して制御することを特徴とする車両用灯具システム。
  11. 　請求項１記載の車両用灯具であって、
    　前記ランプボディは光源から発する光を反射して投射レンズに導くリフレクタと、
    　反射型偏光フィルムと、
    　偏光ビームスプリッタと、
    　波長板と、を備え、
    　前記反射型偏光フィルムは前記リフレクタにより形成される集光面の付近に配置されており、前記偏光ビームスプリッタに対してＰ偏光となる光線を透過させ、それ以外の光線を反射し、
    　前記偏光ビームスプリッタは光源と投射レンズを結ぶ光路中に配置されており、Ｐ偏光光線は透過させＳ偏光光線は反射し、また外部より取り込んだ光を反射しリレーレンズに導き、
    　前記波長板は偏光ビームスプリッタと投射レンズを結ぶ光路中に配置されており、透過する直線偏光光線を円偏光光線に変換することを特徴とする車両用灯具。
  12. 　請求項１記載の車両用灯具であって、
    　前記リレーレンズは、前記リレーレンズを透過する光束に対して、位相を付加し、位相の付加がない状態に比べて撮像素子上に形成される点像の光軸方向の変化を小さくすることを特徴とする車両用灯具。
  13. 　請求項１２記載の車両用灯具であって、
    前記リレーレンズの絞りに近い光学面には複数の輪帯状の溝が形成されていることを特徴とする車両用灯具。
  14. 　請求項１記載の車両用灯具であって、
    　前記リレーレンズは単レンズであり、
    　前記リレーレンズの絞りとして機能する面は、前記リレーレンズを透過する光束に対して、位相を付加し、位相の付加がない状態に比べて撮像素子上に形成される点像の光軸方向の変化を小さくすることを特徴とする車両用灯具。
  15. 　請求項１４記載の車両用灯具であって、
    前記リレーレンズの絞りとして機能する光学面には複数の輪帯状の溝が形成されていることを特徴とする車両用灯具。
  16. 　請求項１２記載の車両用灯具を有する車両用灯具システムであって、
    　前記撮像素子からの出力信号を受け取り、前記位相の付加に由来する画像のぼけを除去する処理を行う画像補正処理装置を備えることを特徴とする車両用灯具システム。
  17. 　請求項１記載の車両用灯具を有する車両用灯具システムであって、
    　前記撮像素子からの出力信号を受け取り画像内の対象物を認識し、前記対象物の画像内の位置の情報を出力する画像処理装置と
    　前記光源の発光制御を行う発光制御部を備え、
    　前記発光制御部は、前記画像処理装置から出力された情報を受信し、受信した前記情報に基づき、前記投射レンズより投射される投射範囲を複数に分割した領域に対応して前記光源の制御を行うことを特徴とする車両用灯具システム。
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