WO2024085150A1 - 車両用前照灯 - Google Patents

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WO2024085150A1
WO2024085150A1 PCT/JP2023/037568 JP2023037568W WO2024085150A1 WO 2024085150 A1 WO2024085150 A1 WO 2024085150A1 JP 2023037568 W JP2023037568 W JP 2023037568W WO 2024085150 A1 WO2024085150 A1 WO 2024085150A1
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light
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和也 本橋
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株式会社小糸製作所
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    • F21—LIGHTING
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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 a vehicle headlamp.
  • a known vehicle headlamp such as an automobile headlight, is one in which light emitted from a light source passes through a primary lens and enters a projection lens.
  • Patent Document 1 discloses such a vehicle headlamp.
  • a convex lens is used as the primary lens of the vehicle headlamp in the following Patent Document 1. Therefore, the divergence angle of the light emitted from the light source is reduced by the primary lens and is incident on the projection lens.
  • a primary lens that reduces the divergence angle of light from the light source is disposed between the light source and the projection lens, allowing the light emitted from the light source to be efficiently incident on the projection lens.
  • the primary lens is composed of a convex lens
  • the image of the light source appears larger than the actual size of the light source at a position farther away than the actual position of the light source.
  • This causes the light distribution pattern of the light emitted from the projection lens to become larger, and in this light distribution pattern, the light resolution and brightness decrease. To prevent this, it is necessary to make the projection lens larger and move it away from the primary lens.
  • the present invention aims to provide a vehicle headlamp that is small in size and can emit light efficiently.
  • the vehicle headlamp of the present invention comprises a light source, a metalens having a meta-region in which a plurality of nanostructures having a width smaller than the longest wavelength of the light emitted from the light source are arranged and through which the light emitted from the light source passes, and a projection lens through which the light emitted from the metalens passes, the metalens emits light incident on the meta-region from the light source with a small divergence angle, and when the light source is viewed from the projection lens side through the meta-region, the image of the light source appears to be located farther away than the position of the light source, and appears smaller than the image of the light source that appears when the light source is viewed from the projection lens side through the convex lens by disposing a convex lens instead of the metalens so that the light from the light source is emitted at the same divergence angle as the light emitted from the metalens.
  • this vehicle headlamp In this vehicle headlamp, the divergence angle of light from the light source is reduced by the metalens used as the primary lens. Therefore, this vehicle headlamp allows light to be efficiently incident on the projection lens and efficiently emitted.
  • the image of the light source when the light source is viewed from the projection lens side through the meta region, the image of the light source appears farther away than the position of the light source, and furthermore, the image of the light source appears smaller than the image of the light source viewed when the light source is viewed from the projection lens side through a convex lens by disposing a convex lens instead of the metalens so as to emit light from the light source at the same divergence angle as the light emitted from the metalens.
  • the size of the projection lens is small, and even if the projection lens is positioned closer to the light source, the light distribution pattern of the light emitted from the projection lens can be prevented from becoming large, and a decrease in the resolution and brightness of the light can be prevented.
  • the image of the light source may appear to be the same size as the light source at a position farther away than the position of the light source.
  • the amount of change in the structure of the nanostructure increases from the center of the meta region toward the outer periphery.
  • the vehicle headlamp may further include an outer housing that encloses the light source, the metalens, and the projection lens, and an inner housing that encloses the light source, and the metalens may be part of the inner housing.
  • the external housing protects the internal light source, metalens, and projection lens, while the internal housing protects the light source from dust and the like. Also, because the metalens is part of the internal housing, the size of the internal housing can be made smaller than when the metalens is located inside the internal housing, which can contribute to making vehicle headlamps more compact.
  • the nanostructure is formed on the internal space side of the internal housing.
  • the present invention provides a vehicle headlamp that is small in size and can emit light efficiently.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view that illustrates a schematic diagram of a vehicle headlamp according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a front view showing a schematic diagram of the light source shown in FIG. 1 .
  • FIG. 2 is an enlarged front view showing a portion of one main surface of the metalens shown in FIG.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the metalens shown in FIG. 1A and 1B are diagrams for explaining the conditions under which an image of a light source appears to be the same size as the light source.
  • 11A and 11B are diagrams illustrating a modified example of a vehicle headlamp according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a vehicle headlamp according to an embodiment of the present invention, and is a diagram showing a schematic vertical cross section of the vehicle headlamp.
  • the vehicle headlamp 1 of this embodiment mainly comprises an external housing 10, a light source 20, an internal housing 40 including a metalens 30, and a projection lens 50.
  • the external housing 10 mainly comprises an external housing 11 and a front cover 12.
  • the front of the external housing 11 is open, and the front cover 12 is fixed to the external housing 11 so as to cover the opening.
  • a space S1 is formed by the external housing 11 and the front cover 12, and the light source 20, the internal housing 40, and the projection lens 50 are housed in this space S1, with the projection lens 50, the metalens 30, and the light source 20 arranged side by side in the front-to-rear direction.
  • the light source 20 has a plurality of light-emitting elements 21 that emit light L, and a circuit board 22 on which the plurality of light-emitting elements 21 are mounted.
  • the plurality of light-emitting elements 21 are arranged in a matrix, have light-emitting surfaces for light L that are located on approximately the same plane, and emit light L forward.
  • the light emitted from each light-emitting point of each light-emitting element 21 is a spherical wave and has a predetermined divergence angle.
  • the light L emitted from each light-emitting element 21 propagates forward while spreading at a predetermined divergence angle.
  • the plurality of light-emitting elements 21 can individually change the amount of light L emitted.
  • the light-emitting element 21 is an LED (Light Emitting Diode) that emits white light
  • the light source 20 is a so-called LED array.
  • the number and configuration of the light-emitting elements 21 are not particularly limited.
  • the light-emitting element 21 may be configured to include multiple LEDs that emit light of different wavelengths, or multiple LDs (Laser Diodes) that emit light of different wavelengths and phosphors provided on the LDs.
  • the light source 20 may be composed of a single light-emitting element.
  • the light source 20 having a plurality of light-emitting elements 21 can emit light L having a predetermined light distribution pattern by selecting the light-emitting element 21 that emits the light L, and the light distribution pattern can be changed by changing the selection. Furthermore, the light source 20 can adjust the intensity distribution of the light L in the light distribution pattern by adjusting the amount of light emitted from each light-emitting element 21. Note that even if the light source 20 has a plurality of light-emitting elements 21, it is not necessary for the light source 20 to be unable to change the light distribution pattern of the emitted light L.
  • the internal housing 40 mainly comprises an internal housing 41 and a metalens 30.
  • the front of the internal housing 41 is open, and the metalens 30 is fixed to the internal housing 41 so as to cover the opening.
  • the internal housing 41 and the metalens 30 form an internal space S2, and the light source 20 is housed within this internal space S2.
  • the internal housing 41 and the metalens 30 seal the internal space S2.
  • the metalens 30 fixed to the internal housing 41 is a generally flat member in this embodiment, and is configured to adjust the divergence angle of the transmitted light L.
  • the metalens 30 is disposed in front of the light source 20, and the light L emitted from the light source 20 enters the incident surface 31s facing the inside of the internal housing 40 and exits from the exit surface 32s facing the outside of the internal housing 40.
  • FIG. 3 is a front view showing an enlarged portion of the incident surface 31s of the metalens 30 shown in FIG. 1.
  • the incident surface 31s has a plurality of cells 33 divided into a matrix, and each cell 33 is provided with a nanostructure 35 extending perpendicularly to the in-plane direction of the incident surface 31s. Therefore, in this embodiment, the nanostructure 35 is formed on the internal space S2 side of the internal housing 40.
  • the boundary between adjacent cells 33 is shown by a dashed line. Also, for ease of viewing, only one cell 33 and one nanostructure 35 are labeled, and the other cells 33 and nanostructures 35 are omitted.
  • the multiple cells 33 are arranged over the entire incident surface 31s, and the entire incident surface 31s is a metaregion in which multiple cells 33 including nanostructures 35 are arranged. Also, an axis 36 perpendicular to the incident surface 31s at the center 31c of the incident surface 31s intersects with the center of the light source 20 and is perpendicular to the light-emitting surface of each light-emitting element 21. In addition, the multiple light-emitting elements 21 of the light source 20 are arranged rotationally symmetrically around the axis 36.
  • the arrangement of the multiple cells 33 and the position and range of the metaregion are not particularly limited.
  • the shape of the cells 33 shown in FIG. 3 is generally rectangular, but is not particularly limited.
  • the size and shape of the multiple cells 33 may be different from each other.
  • the size of the metalens 30 and the metaregion are not particularly limited, and the outer shape of the metalens 30 is also not particularly limited. Unlike the above description, at least a portion of the metaregions may be provided on the emission surface 32s.
  • the cells 33 are arranged in a matrix in FIG. 3, the cells 33 may be arranged radially.
  • the nanostructure 35 has a cylindrical shape and a diameter smaller than the longest wavelength of the light L emitted from the light source 20.
  • the shape of the nanostructure 35 is not particularly limited as long as the width of the nanostructure 35 is smaller than the longest wavelength of the light L emitted from the light source 20.
  • the shape of the nanostructure 35 may be a rectangular prism or a pyramid.
  • the nanostructure 35 may be composed of a pair of rectangular prisms arranged at a predetermined interval.
  • the shapes of the nanostructures 35 in each cell 33 may be different.
  • Examples of materials that constitute the metalens 30 include glass and resin.
  • the materials that constitute the nanostructure 35 and the parts other than the nanostructure 35 may be the same or different.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a schematic of the metalens 30 of this embodiment.
  • the amount of change in the structure of the nanostructures 35 increases from the center of the metaregion toward the outer periphery.
  • FIG. 4 shows an example in which the amount of change in the height of the nanostructures 35 increases from the center of the metaregion toward the outer periphery.
  • a cell 33 including such a nanostructure 35 can modulate the phase of light L passing through the cell 33.
  • the divergence angle of light L passing through the metalens 30 can be reduced by adjusting the arrangement of the multiple cells 33 and the size and shape of the nanostructure 35 in each cell 33.
  • the image 20' of the light source 20 appears to be equal to the actual size of the light source 20 at a position farther away than the actual position of the light source 20.
  • the arrangement of the multiple cells 33 and the size and shape of the nanostructure 35 in each cell 33 are adjusted so that the divergence angle is reduced as described above and the image 20' is visible as described above.
  • the nanostructure 35 in the meta region is configured so that there is almost no change in the radial direction of the central coordinates of the spherical wave of each light incident from each light-emitting point in each light-emitting element 21 of the light source 20, and the spherical wave has a phase modulation amount that moves away from the optical axis direction of the light L from the light source 20.
  • the radial coordinate is a direction along the in-plane direction of the emission surface of each light-emitting element 21, and is a direction perpendicular to the direction of the optical axis of the light L from the light source 20.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the conditions under which image 20' of light source 20 appears to be the same size as light source 20.
  • the distance along axis 36 between light source 20 and metalens 30 is z 0
  • the distance between incident surface 31s of metalens 30 and image 20' is z.
  • Axis 36 coincides with the optical axis of light emitted from light source 20.
  • the quantity in the above formula is equal to the amount of phase delay when a spherical wave centered at a position distance y from the optical axis in light source 20 reaches a flat plate at a distance z 0.
  • the fact that light that has passed through metalens 30 appears to be emitted from image 20' can be thought of as the phase distribution of the light after passing through metalens 30 being the phase distribution of a spherical wave emitted from a position at distance y from the optical axis in image 20'.
  • the central position of light source 20 and the central position of image 20' must be equal to each other, and the position at distance y from the optical axis in light source 20 and the position at distance y from the optical axis in image 20' must be equal to each other. Therefore, the phase distribution ⁇ out emitted from metalens 30 is as shown in formula (2) below.
  • phase modulation amount ⁇ lens is expressed by the following formula (3).
  • the nanostructure 35 is positioned so as to achieve this phase distribution. As described above, the amount of change in the structure of the nanostructure 35 increases from the center of the metaregion toward the outer periphery, making it easy to design a metalens 30 with such characteristics.
  • the projection lens 50 is a lens having an incident surface 51 on which the light L emitted from the metalens 30 is incident, and an exit surface 52 from which the light L incident from the incident surface 51 exits.
  • the projection lens 50 outputs the light L incident from the metalens 30 with a small divergence angle.
  • the vehicle headlamp 1 configured as described above, when light L is emitted from the selected light-emitting element 21 of the light source 20, the light L is emitted at a predetermined divergence angle. This light L is incident on the meta region of the entrance surface 31s of the metalens 30 and is emitted from the exit surface 32s. At this time, the divergence angle of the light L is made smaller than the divergence angle of the light L emitted from the light source 20. The light L with the reduced divergence angle passes through the projection lens 50, where the divergence angle is further reduced, and is emitted from the front cover 12. In this operation, by appropriately selecting the light-emitting element 21 of the light source 20, it is possible to switch between high beam and low beam, or to emit light L that becomes an ADB (Adaptive Driving Beam).
  • ADB Adaptive Driving Beam
  • the metalens 30 emits the light L incident from the light source 20 to the meta region of the metalens 30 with a small divergence angle. Furthermore, when the light source 20 is viewed from the projection lens 50 side through the meta region, the image 20' of the light source 20 appears to be the same size as the light source 20 at a position farther away than the position of the light source 20. In this way, in the vehicle headlamp 1 of this embodiment, the divergence angle of the light L from the light source 20 is reduced by the metalens 30 used as the primary lens, so that the light L can be efficiently incident on the projection lens 50 and the light L can be efficiently emitted.
  • the image 20' of the light source 20 appears to be the same size as the light source 20 at a position farther away than the position of the light source 20. Therefore, compared to when a convex lens is used as the primary lens, the size of the projection lens 50 is small, and even if the position of the projection lens 50 is close to the light source 20, the light distribution pattern of the light L emitted from the projection lens 50 can be prevented from becoming large, and a decrease in the resolution and brightness of the light L can be prevented.
  • FIG. 6 is a diagram showing a modified example of the vehicle headlamp 1 in the above embodiment.
  • a dotted line shows a virtual state in which a convex lens 30" is placed instead of the metalens 30.
  • This convex lens 30" emits light L incident from the light source 20 at an angle of divergence that is the same as the angle of divergence of the light L emitted from the metalens 30.
  • the image 20" of the light source 20 appears larger than the actual size of the light source 20 at a position farther away than the actual position of the light source 20.
  • the vehicle headlamp 1 of this modification differs from the above embodiment in that, when the light source 20 is viewed from the projection lens 50 side through the meta region of the metalens 30, the image 20' of the light source 20 appears larger than the actual size of the light source 20 and smaller than the image 20" at a position farther away from the actual position of the light source 20, as shown by the dashed line in FIG. 6.
  • the nanostructure 35 in the meta region is configured so that the change in the radial direction of the central coordinates of the spherical wave of each light incident from each light-emitting point of each light-emitting element 21 of the light source 20 is suppressed more than the change in the radial direction of the central coordinates of the spherical wave of each light when a convex lens 30" is disposed instead of the metalens 30, and the spherical wave has a phase modulation amount that moves away from the optical axis direction of the light L from the light source 20.
  • the image 20' of the light source 20 may appear smaller than the size of the light source 20 at a position farther away from the position of the light source 20.
  • the size of the image 20' of the light source 20 appears to be different from the size of the light source 20, the following can be considered.
  • equation (3) can be rewritten as equation (5) below.
  • the metalens 30 emits light L incident on the meta region from the light source 20 with a small divergence angle, and when the light source 20 is viewed from the projection lens 50 side through the meta region, the image 20' of the light source 20 appears farther away than the position of the light source 20, and appears smaller than the image 20" of the light source 20 that appears when the light source is viewed from the projection lens 50 side through the convex lens 30" by disposing a convex lens 30" instead of the metalens 30 so as to emit light L from the light source 20 at the same divergence angle as the light L emitted from the metalens 30.
  • the metalens 30 is configured in this manner.
  • the size of the projection lens 50 is small, and even if the position of the projection lens 50 is close to the light source 20, it is possible to prevent the light distribution pattern of the light L emitted from the projection lens 50 from becoming large, and it is possible to prevent a decrease in the resolution and brightness of the light L.
  • the amount of change in size of the nanostructure 35 increases from the center side to the outer periphery side of the meta region. Therefore, while emitting light L with a small divergence angle as described above, the meta region can be easily designed so that when the light source 20 is viewed through the meta region from the projection lens 50 side, the image 20' of the light source 20 appears smaller than the image 20" at a position farther away than the position of the light source 20.
  • the vehicle headlamp 1 of the above embodiment includes an external housing 10 that surrounds the light source 20, the metalens 30, and the projection lens 50, and an internal housing 40 that surrounds the light source 20, and the metalens 30 is part of the internal housing 40.
  • the external housing 10 protects the internal light source 20, the metalens 30, and the projection lens 50
  • the internal housing 40 protects the light source 20 from dust and the like.
  • the size of the internal housing 40 can be made smaller than when the metalens 30 is located inside the internal housing 40, which can contribute to the miniaturization of the vehicle headlamp 1.
  • the nanostructure 35 is formed on the internal space S2 side of the internal housing 40, so that dust can be prevented from adhering to the nanostructure 35. Such a configuration can also be applied to the above modified example.
  • the vehicle headlamp 1 is a headlamp, but this is not particularly limited.
  • the amount of change in the structure of the nanostructure 35 increases from the center side to the outer periphery side of the meta region, but as long as the image 20' of the light source 20 looks as described above, the nanostructure 35 may have a different design.
  • the internal housing 41 of the internal housing 40 is not essential.
  • a metalens 30 that is generally flat has been described as an example, but the metalens 30 is not limited to being plate-shaped, and the entrance surface 31s and the exit surface 32s may be curved.
  • the present invention provides a vehicle headlamp that is small in size and can efficiently emit light L, and can be used in fields such as vehicle headlamp for automobiles, etc.

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Abstract

車両用前照灯（１）は、光源（２０）と、光源（２０）から出射する光（Ｌ）の最長の波長より幅の小さい複数のナノ構造体（３５）が配列され光源（２０）から出射する光（Ｌ）が透過するメタ領域を有するメタレンズ（３０）と、メタレンズ（３０）から出射する光（Ｌ）が透過する投影レンズ（５０）と、を備え、メタレンズ（３０）は、光源（２０）からメタ領域に入射する光（Ｌ）を発散角を小さくして出射し、投影レンズ（５０）側からメタ領域を介して光源（２０）を見る場合に、光源（２０）の像（２０'）が、光源（２０）の位置よりも遠い位置に見えると共に、メタレンズ（３０）から出射する光と同じ発散角で光源（２０）からの光（Ｌ）を出射するようにメタレンズ（３０）の代わりに凸レンズ（３０"）を配置して投影レンズ（５０）側から凸レンズ（３０"）を介して光源（２０）を見る場合に見える光源（２０）の像（２０"）よりも小さく見える。

Description

車両用前照灯
　本発明は、車両用前照灯に関する。
　自動車用ヘッドライト等の車両用前照灯として、光源から出射する光がプライマリレンズを透過して、投影レンズに入射するものが知られている。下記特許文献１にはこのような車両用前照灯が開示されている。
　下記特許文献１の車両用前照灯のプライマリレンズとして、凸レンズが用いられている。従って、光源から出射する光は、プライマリレンズで発散角が小さくされ、投影レンズに入射される。
特開２０１８－６７５２３号公報
　上記特許文献１の車両用前照灯のように、光源からの光の発散角を小さくするプライマリレンズが光源と投影レンズとの間に配置されることで、光源から出射する光を効率よく投影レンズに入射させることができる。しかし、プライマリレンズが凸レンズで構成される場合、投影レンズからプライマリレンズを介して光源を見る場合、光源の像は、実際の光源の位置よりも遠い位置において、実際の光源の大きさよりも大きく見える。このため、投影レンズから出射する光の配光パターンが大きくなり、当該配光パターンにおいて、光の分解能が低下すると共に、明るさが低下する。これを防止するためには、投影レンズを大きくして、投影レンズをプライマリレンズから遠ざける必要がある。しかし、車両用前照灯に対する大型化抑制の要請がある。
　そこで、本発明は、大型化を抑制して、光を効率よく出射させ得る車両用前照灯を提供することを目的とする。
　上記目的の達成のため、本発明の車両用前照灯は、光源と、前記光源から出射する光の最長の波長より幅の小さい複数のナノ構造体が配列され前記光源から出射する光が透過するメタ領域を有するメタレンズと、前記メタレンズから出射する光が透過する投影レンズと、を備え、前記メタレンズは、前記光源から前記メタ領域に入射する光を発散角を小さくして出射し、前記投影レンズ側から前記メタ領域を介して前記光源を見る場合に、前記光源の像が、前記光源の位置よりも遠い位置に見えると共に、前記メタレンズから出射する光と同じ発散角で前記光源からの光を出射するように前記メタレンズの代わりに凸レンズを配置して前記投影レンズ側から前記凸レンズを介して前記光源を見る場合に見える前記光源の像よりも小さく見えることを特徴とする。
　この車両用前照灯では、プライマリレンズとして用いられるメタレンズにより、光源からの光の発散角が小さくされる。従って、この車両用前照灯によれば、投影レンズに効率よく光を入射させることができ、光を効率よく出射させることができる。また、この車両用前照灯では、上記のように、投影レンズ側からメタ領域を介して光源を見る場合に、光源の像は、光源の位置よりも遠い位置に見え、さらに当該光源の像は、メタレンズから出射する光と同じ発散角で光源からの光を出射するようにメタレンズの代わりに凸レンズを配置して投影レンズ側から凸レンズを介して光源を見る場合に見える光源の像よりも小さく見える。このため、プライマリレンズとして凸レンズが用いられる場合と比べて、投影レンズの大きさが小さく、投影レンズの位置が光源に近くても、投影レンズから出射する光の配光パターンが大きくなることを抑制することができ、光の分解能の低下及び明るさの低下を抑制することができる。
　また、前記投影レンズ側から前記メタ領域を介して前記光源を見る場合に、前記光源の像が、前記光源の位置よりも遠い位置において、前記光源の大きさと同等に見えてもよい。
　また、上記車両用前照灯において、前記ナノ構造体の構造の変化量は、前記メタ領域の中心側から外周部側に向かって大きくなることが好ましい。
　このように構成することで、上記のように光の発散角を小さくしつつ、投影レンズ側からメタ領域を介して光源を見る場合の光源の像が、上記のように見えるようなメタ領域を容易に設計し得る。
　また、上記車両用前照灯において、前記光源と、前記メタレンズと、前記投影レンズと、を囲う外部筐体と、前記光源を囲う内部筐体と、を備え、前記メタレンズが前記内部筐体の一部であることとしてもよい。
　この場合、外部筐体により、内部の光源、メタレンズ、及び投影レンズが保護され、内部筐体により、光源が塵埃等から保護される。また、メタレンズが内部筐体の一部であることで、メタレンズが内部筐体の内部に位置する場合よりも、内部筐体の大きさを小型化でき、車両用前照灯の小型化に寄与し得る。
　また、この場合、前記ナノ構造体は、前記内部筐体の内部空間側に形成されていることが好ましい。
　ナノ構造体は、内部筐体の内部空間側に形成されることで、ナノ構造体に塵埃が付着することを抑制することができる。
　以上のように本発明によれば、大型化を抑制して、光を効率よく出射させ得る車両用前照灯が提供される。
本発明の実施形態における車両用前照灯を模式的に示す断面図である。 図１に示す光源を模式的に示す正面図である。 図１に示すメタレンズの一方の主面の一部を拡大して示す正面図である。 図１に示すメタレンズを模式的に示す断面図である。 光源の像が光源と同じ大きさに見える条件の説明に供する図である。 本発明の実施形態における車両用前照灯の変形例を示す図である。
　以下、本発明に係る車両用前照灯の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。以下に例示する実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良することができる。なお、以下で参照する図面では、理解を容易にするために、各部材の寸法を変えて示す場合がある。
　図１は、本発明の実施形態における車両用前照灯を示す図であり、車両用前照灯の鉛直方向の断面を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態の車両用前照灯１は、外部筐体１０と、光源２０と、メタレンズ３０を含む内部筐体４０と、投影レンズ５０と、を主な構成として備える。
　外部筐体１０は、外部ハウジング１１、及びフロントカバー１２を主な構成として備える。外部ハウジング１１の前方は開口しており、当該開口を塞ぐようにフロントカバー１２が外部ハウジング１１に固定されている。外部ハウジング１１とフロントカバー１２とによって空間Ｓ１が形成され、この空間Ｓ１内に光源２０、内部筐体４０、及び投影レンズ５０が収容され、投影レンズ５０、メタレンズ３０、及び光源２０が前後方向に沿って並んで配置されている。
　図２は、図１に示す光源２０を模式的に示す正面図である。本実施形態では、光源２０は、光Ｌを出射する複数の発光素子２１と、複数の発光素子２１が実装される回路基板２２と、を有する。なお、図２では、見易さのため、１つの発光素子２１のみに符号を付し、他の発光素子２１の符号は省略されている。複数の発光素子２１は、マトリックス状に配置されて、互いに概ね同じ平面上に位置する光Ｌの出射面を有し、前方に向かって光Ｌを出射する。それぞれの発光素子２１の各発光点から出射する光は、それぞれ球面波であり、所定の発散角を有する。従って、それぞれの発光素子２１から出射する光Ｌは、所定の発散角で広がりながら前方に伝搬する。複数の発光素子２１は出射する光Ｌの光量を個別に変更可能である。本実施形態では、発光素子２１は白色光を出射するＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、光源２０は所謂ＬＥＤアレイである。なお、発光素子２１の数や構成は、特に限定されるものではない。例えば、発光素子２１は、互いに異なる波長の光を出射する複数のＬＥＤを含む構成であってもよく、互いに異なる波長の光を出射する複数のＬＤ（Laser Diode）と当該ＬＤ上に設けられる蛍光体とを含む構成であってもよい。また、光源２０は、１つの発光素子から成ってもよい。
　複数の発光素子２１を有する光源２０は、光Ｌを出射させる発光素子２１が選択されることで所定の配光パターンを有する光Ｌを出射することができ、当該選択を変化させることで配光パターンを変化させることができる。また、光源２０は、それぞれの発光素子２１から出射する光量が調節されることで配光パターンにおける光Ｌの強度分布を調節することができる。なお、光源２０は、複数の発光素子２１を有する場合であっても、出射する光Ｌの配光パターンを変化させることができなくてもよい。
　内部筐体４０は、内部ハウジング４１、及びメタレンズ３０を主な構成として備える。内部ハウジング４１の前方は開口しており、当該開口を塞ぐようにメタレンズ３０が内部ハウジング４１に固定されている。内部ハウジング４１とメタレンズ３０とによって内部空間Ｓ２が形成され、この内部空間Ｓ２内に光源２０が収容されている。なお、本実施形態では、内部ハウジング４１とメタレンズ３０とにより、内部空間Ｓ２が封止されている。
　内部ハウジング４１に固定されるメタレンズ３０は、本実施形態では概ね平板状の部材であり、透過する光Ｌの発散角を調節するように構成されている。メタレンズ３０は、光源２０の前方に配置され、光源２０から出射する光Ｌは、内部筐体４０の内側を向く入射面３１ｓに入射し、内部筐体４０の外側を向く出射面３２ｓから出射する。
　図３は、図１に示すメタレンズ３０の入射面３１ｓの一部を拡大して示す正面図である。図３に示すように、入射面３１ｓは、マトリックス状に区分けされる複数のセル３３を有し、それぞれのセル３３に入射面３１ｓの面内方向に垂直に延在するナノ構造体３５が設けられている。従って、本実施形態では、ナノ構造体３５は内部筐体４０の内部空間Ｓ２側に形成されている。なお、図３には、隣接するセル３３間の境界が破線で示されている。また、見易さのため、１つのセル３３及び１つのナノ構造体３５のみに符号を付し、他のセル３３及びナノ構造体３５の符号は省略されている。本実施形態のメタレンズ３０では、複数のセル３３は、入射面３１ｓの全体に亘って配列されており、入射面３１ｓの全体がナノ構造体３５を含む複数のセル３３が配列されたメタ領域である。また、入射面３１ｓの中心３１ｃにおいて入射面３１ｓと直交する軸３６は、光源２０の中心と交わっており、それぞれの発光素子２１の発行面と垂直である。また、光源２０の複数の発光素子２１は、軸３６を中心とする回転対称状に配置されている。
　なお、複数のセル３３の配列、このメタ領域の位置や範囲は、特に制限されるものではない。また、図３に示すセル３３の形状は概ね四角形状であるが、特に制限されない。また、複数のセル３３の大きさや形状は互いに異なっていてもよい。また、メタレンズ３０及びメタ領域の大きさは特に制限されず、メタレンズ３０の外形も特に制限されない。また、上記説明と異なり、少なくとも一部のメタ領域が出射面３２ｓに設けられてもよい。また、図３では、セル３３がマトリックス状に配置されているが、セル３３が放射状に配置されてもよい。
　本実施形態では、ナノ構造体３５の形状は円柱形状であり、直径は光源２０から出射する光Ｌの最長波長より小さい。なお、ナノ構造体３５の幅が、光源２０から出射する光Ｌの最長波長より小さければよく、ナノ構造体３５の形状は特に制限されるものではない。例えば、ナノ構造体３５の形状は、角柱形状、錘型形状であってもよい。また、ナノ構造体３５は、所定の間隔をあけて並ぶ一対の四角柱等から構成されてもよい。また、それぞれのセル３３におけるナノ構造体３５の形状が異なっていてもよい。メタレンズ３０を構成する材料として、例えば、ガラス、樹脂等が挙げられる。なお、ナノ構造体３５とナノ構造体３５以外の部分とを構成する材料は、同じであってもよく、異なっていてもよい。
　図４は、本実施形態におけるメタレンズ３０を模式的に示す断面図である。図４に示すように、本実施形態のメタレンズ３０では、ナノ構造体３５の構造の変化量が、メタ領域の中心側から外周側に向かって大きくなる。図４では、ナノ構造体３５の高さの変化量が、メタ領域の中心側から外周側に向かって大きくなる例が示されている。また、ナノ構造体３５の構造の変化量がメタ領域の中心側から外周側に向かって大きくなる他の例としては、ナノ構造体３５の太さの変化量がメタ領域の中心側から外周側に向かって大きくなったり、ナノ構造体３５の形状の変化量がメタ領域の中心側から外周側に向かって大きくなったりする例が挙げられる。
　このようなナノ構造体３５を含むセル３３は、当該セル３３を透過する光Ｌの位相を変調させることができる。そして、複数のセル３３の配置やそれぞれのセル３３におけるナノ構造体３５の大きさや形状等を調節することで、メタレンズ３０を透過する光Ｌの発散角を小さくすることができる。また、本実施形態では、投影レンズ５０側からメタレンズ３０のメタ領域を介して光源２０を見る場合、図１において破線で示すように、光源２０の像２０’は、光源２０の実際の位置よりも遠い位置において、光源２０の実際の大きさと同等に見える。上記のように発散角を小さくし、上記のように像２０’が見えるように、複数のセル３３の配置やそれぞれのセル３３におけるナノ構造体３５の大きさや形状等が調節されている。つまり、本実施形態では、メタ領域におけるナノ構造体３５は、光源２０の各発光素子２１における各発光点から入射する各光の球面波の中心座標の動径方向における変化が概ね無く、当該球面波が光源２０からの光Ｌの光軸方向に遠ざけられる位相変調量を持つように構成される。この場合の動径座標とは、それぞれの発光素子２１の出射面の面内方向に沿う方向であり、光源２０からの光Ｌの光軸の方向に垂直な方向である。
　図５は、光源２０の像２０’が光源２０と同じ大きさに見える条件の説明に供する図である。図５に示すように、軸３６に沿った光源２０とメタレンズ３０との距離をｚ0とし、メタレンズ３０の入射面３１ｓと像２０’との距離をｚとする。軸３６は、光源２０から出射する光の光軸と一致している。光源２０における光軸から距離ｙの位置から出射する光が、メタレンズ３０の入射面３１ｓ上における光軸から距離ｒの位置からメタレンズ３０に入射する場合、光の位相分布Φsourceは、下記式（１）で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　上記式の量は、光源２０における光軸から距離ｙの位置を中心とした球面波が距離ｚ0離れた平板に到達した際の位相の遅れ量に等しい。メタレンズ３０を透過した光が、像２０’から出射したように見えるということは、メタレンズ３０の透過後の光の位相分布が、像２０’における光軸から距離ｙの位置から出射した球面波の位相分布になると考えることができる。更に、メタレンズ３０によって球面波が変化する前後において、光源２０の中心位置と像２０’の中心位置とは互いに等しく、光源２０における光軸から距離ｙの位置と像２０’における光軸から距離ｙの位置とは互いに同じでなければならない。従って、メタレンズ３０から出射する位相分布Φoutは、下記式（２）の通りとなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　メタレンズ３０での位相変調量Φlensは、メタレンズ３０に入射する光と出射する光との位相分布の差、すなわちΦlens＝Φout－Φsourceで示すことができる。また、光源２０における光軸から距離ｙの位置から出射する光がメタレンズ３０における光軸から距離ｒの位置に入射する際の入射角をθとすると、距離ｙは、ｙ＝ｒ－ｚ0×tanθで示される。
従って、位相変調量Φlensは、下記式（３）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　従って、ナノ構造体３５は、この位相分布を実現可能に配置される。上記のようにナノ構造体３５の構造の変化量がメタ領域の中心側から外周側に向かって大きくなることで、このような特性を有するメタレンズ３０を容易に設計することができる。
　投影レンズ５０は、メタレンズ３０から出射する光Ｌが入射する入射面５１と、入射面５１から入射する光Ｌを出射する出射面５２とを有するレンズである。投影レンズ５０は、メタレンズ３０から入射する光Ｌの発散角を小さくして出射する。
　以上の構成の車両用前照灯１では、光源２０の選択された発光素子２１から光Ｌが出射する際、当該光Ｌは所定の発散角で出射する。この光Ｌがメタレンズ３０の入射面３１ｓのメタ領域に入射して、出射面３２ｓから出射する。このとき、光Ｌの発散角が光源２０から出射する光Ｌの発散角よりも小さくされる。発散角が小さくされた光Ｌは、投影レンズ５０を透過してさらに発散角が小さくされて、フロントカバー１２から出射する。このような動作において、光源２０の発光素子２１が適宜選択されることで、ハイビームとロービームとを切り替えたり、ＡＤＢ（Adaptive Driving Beam）となる光Ｌを出射したりすることができる。
　以上説明したように、本実施形態の車両用前照灯１では、メタレンズ３０は、光源２０からメタレンズ３０のメタ領域に入射する光Ｌを発散角を小さくして出射する。また、投影レンズ５０側から当該メタ領域を介して光源２０を見る場合に、光源２０の像２０’が、光源２０の位置よりも遠い位置において、光源２０の大きさと同等に見える。このように本実施形態の車両用前照灯１では、プライマリレンズとして用いられるメタレンズ３０により、光源２０からの光Ｌの発散角が小さくされため、投影レンズ５０に効率よく光Ｌを入射させることができ、光Ｌを効率よく出射させることができる。また、本実施形態の車両用前照灯１では、上記のように、投影レンズ５０側からメタ領域を介して光源２０を見る場合に、光源２０の像２０’が、光源２０の位置よりも遠い位置において、光源２０の大きさと同等に見える。このため、プライマリレンズとして凸レンズが用いられる場合と比べて、投影レンズ５０の大きさが小さく、投影レンズ５０の位置が光源２０に近くても、投影レンズ５０から出射する光Ｌの配光パターンが大きくなることを抑制することができ、光Ｌの分解能の低下及び明るさの低下を抑制することができる。
　なお、本実施形態では、投影レンズ５０側から当該メタ領域を介して光源２０を見る場合に、光源２０の像２０’が、光源２０の位置よりも遠い位置において、光源２０の大きさと同等に見えるよう構成される例で説明をした。しかし、本発明はこれに限らない。
　図６は、上記実施形態における車両用前照灯１の変形例を示す図である。図６では、メタレンズ３０の代わりに凸レンズ３０”が配置される仮想の状態が点線で示されている。この凸レンズ３０”は、光源２０から入射する光Ｌの発散角をメタレンズ３０から出射する光Ｌの発散角と同じ発散角で出射する。この場合に、投影レンズ５０側から凸レンズ３０”を介して光源２０を見る場合、図６において点線で示すように、光源２０の像２０”は、光源２０の実際の位置よりも遠い位置において、光源２０の実際の大きさよりも大きく見える。本変形例の車両用前照灯１は、投影レンズ５０側からメタレンズ３０のメタ領域を介して光源２０を見る場合、図６において破線で示すように、光源２０の像２０’は、光源２０の実際の位置よりも遠い位置において、光源２０の実際の大きさよりも大きく、像２０”よりも小さく見える点において、上記実施形態と異なる。つまり、本変形例では、メタ領域におけるナノ構造体３５は、光源２０の各発光素子２１における各発光点から入射する各光の球面波の中心座標の動径方向における変化が、メタレンズ３０の代わりに凸レンズ３０”が配置される場合の各光の球面波の中心座標の動径方向における変化よりも抑制され、当該球面波が光源２０からの光Ｌの光軸方向に遠ざけられる位相変調量を持つように構成される。また、特に図示しないが、本変形例と異なる変形例では、投影レンズ５０側から当該メタ領域を介して光源２０を見る場合に、光源２０の像２０’が、光源２０の位置よりも遠い位置において、光源２０の大きさよりも小さく見えてもよい。
　上記のように、光源２０の像２０’の大きさが光源２０の大きさと異なる大きさに見える場合、次のように考えることができる。
　光源２０の大きさと像２０’の大きさとの比をβとする。例えば、像２０’の大きさが光源２０の大きさの２倍であればβは２である。この場合、光源２０における光軸から距離ｙの位置が像２０’において位置ｙ’であるとすると、ｙ’＝βｙとなる。従って、この場合式（２）は、下記式（４）で書き直すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　従って、この場合の式（３）は、下記式（５）で書き直すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　図６に示すようにメタレンズ３０の代わりに凸レンズ３０”が配置される場合、倍率はｚ／ｚ0である。従って、βの範囲は、０≦β＜ｚ／ｚ0である。なお、β＝１の場合は、上記実施形態のように、像２０’の大きさと光源２０の大きさとが同じ場合であり、β＝０の場合は、像２０’が点となる。従って、ナノ構造体３５は、上記βの範囲で式（５）を満たす位相分布を実現可能に配置される。
　つまり本発明の車両用前照灯では、メタレンズ３０は、光源２０からメタ領域に入射する光Ｌを発散角を小さくして出射し、投影レンズ５０側からメタ領域を介して光源２０を見る場合に、光源２０の像２０’が、光源２０の位置よりも遠い位置に見えると共に、メタレンズ３０から出射する光Ｌと同じ発散角で光源２０からの光Ｌを出射するようにメタレンズ３０の代わりに凸レンズ３０”を配置して投影レンズ５０側から凸レンズ３０”を介して前記光源を見る場合に見える光源２０の像２０”よりも小さく見える。このようにメタレンズ３０が構成される。このような構成により、プライマリレンズとして凸レンズが用いられる場合と比べて、投影レンズ５０の大きさが小さく、投影レンズ５０の位置が光源２０に近くても、投影レンズ５０から出射する光Ｌの配光パターンが大きくなることを抑制することができ、光Ｌの分解能の低下及び明るさの低下を抑制することができる。
　また、上記実施形態の車両用前照灯１では、ナノ構造体３５の大きさの変化量は、メタ領域の中心側から外周部側に向かって大きくなる。このため、上記のように光Ｌの発散角を小さくして出射つつ、投影レンズ５０側からメタ領域を介して光源２０を見る場合の光源２０の像２０’が、光源２０の位置よりも遠い位置で、像２０”よりも小さく見えるようにメタ領域を容易に設計し得る。
　また、上記実施形態の車両用前照灯１では、光源２０と、メタレンズ３０と、投影レンズ５０と、を囲う外部筐体１０と、光源２０を囲う内部筐体４０と、を備え、メタレンズ３０が内部筐体４０の一部とされた。この場合、外部筐体１０により、内部の光源２０、メタレンズ３０、及び投影レンズ５０が保護され、内部筐体４０により、光源２０が塵埃等から保護される。また、メタレンズ３０が内部筐体４０の一部であることで、メタレンズ３０が内部筐体４０の内部に位置する場合よりも、内部筐体４０の大きさを小型化でき、車両用前照灯１の小型化に寄与し得る。また、上記実施形態の車両用前照灯１では、ナノ構造体３５は、内部筐体４０の内部空間Ｓ２側に形成されるため、ナノ構造体３５に塵埃が付着することを抑制することができる。このような構成は、上記変形例にも適用可能である。
　以上、本発明について、上記実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
　例えば、上記実施形態では、車両用前照灯１は、前照灯とされたが、特に制限されるものではない。上記実施形態では、ナノ構造体３５の構造の変化量は、メタ領域の中心側から外周部側に向かって大きくなる例で説明をしたが、光源２０の像２０’が、上記説明のように見えるのであれば、ナノ構造体３５は他の設計であってもよい。
　また、内部筐体４０の内部ハウジング４１は必須ではない。
　また、上記実施形態では、概ね平板状のメタレンズ３０を例示して説明したが、メタレンズ３０は板状に限らず、入射面３１ｓや出射面３２ｓは、曲面状であってもよい。
　本発明によれば、大型化を抑制して、光Ｌを効率よく出射させ得る車両用前照灯が提供され、自動車等の車両用前照灯などの分野において利用可能である。

Claims (5)

  1. 　光源と、
    　前記光源から出射する光の最長の波長より幅の小さい複数のナノ構造体が配列され前記光源から出射する光が透過するメタ領域を有するメタレンズと、
    　前記メタレンズから出射する光が透過する投影レンズと、
    を備え、
    　前記メタレンズは、前記光源から前記メタ領域に入射する光を発散角を小さくして出射し、
    　前記投影レンズ側から前記メタ領域を介して前記光源を見る場合に、前記光源の像が、前記光源の位置よりも遠い位置に見えると共に、前記メタレンズから出射する光と同じ発散角で前記光源からの光を出射するように前記メタレンズの代わりに凸レンズを配置して前記投影レンズ側から前記凸レンズを介して前記光源を見る場合に見える前記光源の像よりも小さく見える
    ことを特徴とする車両用前照灯。
  2. 　前記投影レンズ側から前記メタ領域を介して前記光源を見る場合に、前記光源の像が、前記光源の位置よりも遠い位置において、前記光源の大きさと同等に見える
    ことを特徴とする請求項１に記載の車両用前照灯。
  3. 　前記ナノ構造体の構造の変化量は、前記メタ領域の中心側から外周部側に向かって大きくなる
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の車両用前照灯。
  4. 　前記光源と、前記メタレンズと、前記投影レンズと、を囲う外部筐体と、
    　前記光源を囲う内部筐体と、
    を備え、
    　前記メタレンズが前記内部筐体の一部である
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の車両用前照灯。
  5. 　前記ナノ構造体は、前記内部筐体の内部空間側に形成されている
    ことを特徴とする請求項４に記載の車両用前照灯。
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