特許 7474116 光学ユニット、及びそれを備えた車両用灯具

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-16

(45)【発行日】2024-04-24

(54)【発明の名称】光学ユニット、及びそれを備えた車両用灯具

(51)【国際特許分類】

   G02B 3/00 20060101AFI20240417BHJP

   F21S 41/143 20180101ALI20240417BHJP

   F21S 41/16 20180101ALI20240417BHJP

   F21S 41/265 20180101ALI20240417BHJP

   F21S 41/663 20180101ALI20240417BHJP

   F21V 5/00 20180101ALI20240417BHJP

   F21V 5/04 20060101ALI20240417BHJP

   F21W 102/155 20180101ALN20240417BHJP

   F21W 102/20 20180101ALN20240417BHJP

   F21W 102/30 20180101ALN20240417BHJP

   F21W 103/00 20180101ALN20240417BHJP

   F21W 103/10 20180101ALN20240417BHJP

   F21W 103/20 20180101ALN20240417BHJP

   F21Y 115/10 20160101ALN20240417BHJP

   F21Y 115/30 20160101ALN20240417BHJP

【ＦＩ】

G02B3/00 A

F21S41/143

F21S41/16

F21S41/265

F21S41/663

F21V5/00 320

F21V5/04 350

F21V5/04 650

F21W102:155

F21W102:20

F21W102:30

F21W103:00

F21W103:10

F21W103:20

F21Y115:10

F21Y115:30

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020094481

(22)【出願日】2020-05-29

(65)【公開番号】P2021189306

(43)【公開日】2021-12-13

【審査請求日】2023-04-04

(73)【特許権者】

【識別番号】000001133

【氏名又は名称】株式会社小糸製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001416

【氏名又は名称】弁理士法人信栄事務所

(72)【発明者】

【氏名】コリチバ ニキタ

【審査官】森内 正明

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／０７４５２３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１６－５３４５０３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２１Ｓ ４１／００ － ４１／６９８

Ｆ２１Ｖ ５／００ － ５／１０

Ｆ２１Ｗ １０２／００ －１０３／６０

Ｆ２１Ｙ １１５／００ －１１５／３０

Ｇ０２Ｂ ３／００ － ３／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の配光パターンを形成可能な光学ユニットであって、
光源と、
出射面が自由曲面で形成された複数のレンズ要素を含むレンズアレイと、
前記光源からの光を前記出射面へ向かう平行光にする光学手段と、を備え、
前記複数のレンズ要素は、前記自由曲面の形状がそれぞれ異なる２種以上のレンズ要素を含み、
第１自由曲面を有する複数の第１レンズ要素からなる第１レンズ要素群は、前記第１自由曲面の形状に基づいて、前記配光パターンのうちの第１配光部へ向けて光を出射し、
第２自由曲面を有する複数の第２レンズ要素からなる第２レンズ要素群は、前記第２自由曲面の形状に基づいて、前記配光パターンのうちの第２配光部へ向けて光を出射し、
前記複数のレンズ要素の少なくとも一部は、前記レンズ要素を前記平行光の進行方向とは反対側の方向から視た場合に、所定の方向の長さが０．２５ｍｍ以上であり、
前記レンズアレイは、前記光学手段からの平行光が入射する入射面が平面である、
光学ユニット。

【請求項2】

前記第１レンズ要素の大きさは、前記第２レンズ要素の大きさとは異なる、
請求項１に記載の光学ユニット。

【請求項3】

前記レンズ要素を前記平行光の進行方向とは反対側の方向から視た場合に、
前記複数のレンズ要素は、四角形状であり、
各レンズ要素が隙間なく並べられている、
請求項１又は請求項２に記載の光学ユニット。

【請求項4】

前記配光パターンを形成するための遮光体を備えない、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光学ユニット。

【請求項5】

前記第１配光部は、カットラインを含む、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学ユニット。

【請求項6】

前記光学手段は、コリメータレンズであり、
前記第１レンズ要素群は、前記コリメータレンズの端部からの平行光が入射する位置にある、
請求項５に記載の光学ユニット。

【請求項7】

所定の配光パターンを形成可能な光学ユニットであって、
第１光学ユニットと、第２光学ユニットと、を備え、
前記第１光学ユニットは、
第１光源と、
出射面が第１自由曲面で形成された複数の第１レンズ要素を含む第１レンズアレイと、
前記第１光源からの光を前記第１自由曲面へ向かう平行光にする第１光学手段と、を有し、
前記第２光学ユニットは、
第２光源と、
出射面が前記第１自由曲面とは異なる形状の第２自由曲面で形成された複数の第２レンズ要素を含む第２レンズアレイと、
前記第２光源からの光を前記第２自由曲面へ向かう平行光にする第２光学手段と、を有し、
前記第１光学ユニットは、前記第１自由曲面の形状に基づいて、前記配光パターンのうちの第１配光部へ向けて光を出射し、
前記第２光学ユニットは、前記第２自由曲面の形状に基づいて、前記配光パターンのうちの第２配光部へ向けて光を出射し、
前記第１レンズ要素および前記第２レンズ要素は、それぞれのレンズ要素を前記平行光の進行方向とは反対側の方向から視た場合に、所定の方向の長さが０．２５ｍｍ以上であり、
前記第１レンズアレイは、前記第１光学手段からの平行光が入射する入射面が平面であり、
前記第２レンズアレイは、前記第２光学手段からの平行光が入射する入射面が平面である、
光学ユニット。

【請求項8】

請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の光学ユニットを備えた、
車両用灯具。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、 光学ユニット、及びそれを備えた車両用灯具に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、配光パターンを有する車両用灯具が記載されている。特許文献１の車両用灯具は、マイクロレンズアレイ（以下、「ＭＬＡ」とも称する）の入射面と出射面の間に遮光体を設け、当該遮光体によって入射面から入射してきた光の一部を遮ることによって、配光パターンを形成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特表２０１６－５３４５０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の車両用灯具では、ＭＬＡの入射面から入射した光の一部が遮光体に吸収されるため、光の利用効率の点などで改善の余地があった。

【0005】

本開示は、所定の配光パターンを形成可能であって、光源からの光の利用効率の高い光学ユニット及びそれを備えた車両用灯具を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様に係る光学ユニットは、
所定の配光パターンを形成可能な光学ユニットであって、
光源と、
出射面が自由曲面で形成された複数のレンズ要素を含むレンズアレイと、
前記光源からの光を前記出射面へ向かう平行光にする光学手段と、を備え、
前記複数のレンズ要素は、前記自由曲面の形状がそれぞれ異なる２種以上のレンズ要素を含み、
第１自由曲面を有する複数の第１レンズ要素からなる第１レンズ要素群は、前記第１自由曲面の形状に基づいて、前記配光パターンのうちの第１配光部へ向けて光を出射し、
第２自由曲面を有する複数の第２レンズ要素からなる第２レンズ要素群は、前記第２自由曲面の形状に基づいて、前記配光パターンのうちの第２配光部へ向けて光を出射し、
前記複数のレンズ要素の少なくとも一部は、前記レンズ要素を前記平行光の進行方向とは反対側の方向から視た場合に、所定の方向の長さが０．２５ｍｍ以上である。

【0007】

この構成によれば、所定の配光パターンを形成可能にしつつ、光源からの光の利用効率を高めることができる。

【0008】

また、上記光学ユニットにおいて、
前記第１レンズ要素の大きさは、前記第２レンズ要素の大きさとは異なるように構成されていてもよい。

【0009】

この構成によれば、例えば、各レンズ要素が受け持つ各配光部内の光量を調節することが容易になる。結果として、所望の配光パターンを形成することが更に容易になる。

【0010】

また、上記光学ユニットは、
前記レンズ要素を前記平行光の進行方向とは反対側の方向から視た場合に、
前記複数のレンズ要素が、四角形状であり、
各レンズ要素が隙間なく並べられていてもよい。

【0011】

この構成によれば、例えば、各レンズ要素間において、配光パターンの形成に関与しない出射面が形成されることを抑制できる。結果として、グレア等の迷光を低減できる。また、レンズアレイの製造がし易くなる。

【0012】

また、上記光学ユニットは、
前記配光パターンを形成するための遮光体を備えていなくてもよい。

【0013】

この構成によれば、例えば、光源からの光の利用効率を更に高めることができる。

【0014】

また、上記光学ユニットにおいて、
前記レンズアレイは、入射面が平面であってもよい。

【0015】

この構成によれば、例えば、入射面を球面等にする場合と比べて、光学的な設計が容易になり、レンズアレイの製造も容易になる。また、例えば、コリメートレンズ等の光学手段と接合して一体的なものとすることもでき、その場合、省スペース性に寄与する。

【0016】

また、上記光学ユニットにおいて、
前記第１配光部は、カットラインを含んでいてもよい。

【0017】

この構成によれば、例えば、自動車のフォグランプやロービーム用前照灯などの用途に有用な光学ユニットを提供することができる。

【0018】

また、上記光学ユニットにおいて、
前記光学手段は、コリメータレンズであり、
前記第１レンズ要素群は、前記コリメータレンズの端部からの平行光が入射する位置にあってもよい。

【0019】

コリメータレンズから見た光源の視角サイズは、コリメータレンズの中央部よりも端部の方が小さい。つまり、コリメータレンズの端部では光源サイズが点光源に近付くので、コリメータレンズの端を通る光線ほど、平行光に近くなる。したがって、上記の構成によれば、コリメータレンズからの光のなかでも、より平行光に近い光によって、カットラインを形成することになるので、カットラインのボケを減少させ、鮮明なカットラインを形成することが可能になる。

【0020】

本開示の一態様に係る光学ユニットは、
所定の配光パターンを形成可能な光学ユニットであって、
第１光学ユニットと、第２光学ユニットと、を備え、
前記第１光学ユニットは、
第１光源と、
出射面が第１自由曲面で形成された複数の第１レンズ要素を含む第１レンズアレイと、
前記第１光源からの光を前記第１自由曲面へ向かう平行光にする第１光学手段と、を有し、
前記第２光学ユニットは、
第２光源と、
出射面が前記第１自由曲面とは異なる形状の第２自由曲面で形成された複数の第２レンズ要素を含む第２レンズアレイと、
前記第２光源からの光を前記第２自由曲面へ向かう平行光にする第２光学手段と、を有し、
前記第１光学ユニットは、前記第１自由曲面の形状に基づいて、前記配光パターンのうちの第１配光部へ向けて光を出射し、
前記第２光学ユニットは、前記第２自由曲面の形状に基づいて、前記配光パターンのうちの第２配光部へ向けて光を出射し、
前記第１レンズ要素および前記第２レンズ要素は、それぞれのレンズ要素を前記平行光の進行方向とは反対側の方向から視た場合に、所定の方向の長さが０．２５ｍｍ以上である。

【0021】

この構成によれば、所定の配光パターンを形成可能にしつつ、光源からの光の利用効率を高めることができる。

【0022】

また、本開示の一態様に係る車両用灯具は、
上記のいずれかに記載の光学ユニットを備える。

【0023】

この構成によれば、所定の配光パターンを形成可能であって、光源からの光の利用効率が高い車両用灯具を得ることができる。

【発明の効果】

【0024】

本開示によれば、所定の配光パターンを形成可能であって、光源からの光の利用効率の高い光学ユニット及びそれを備えた車両用灯具を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1A】第一実施形態に係る光学ユニットの一例を示す模式図である。

【図1B】図１Ａに示す光学ユニットの変形例を示す模式図である。

【図2】第一実施形態に係る光学ユニットにおけるレンズアレイの一例を示す平面図である。

【図3】図１Ａに示す光学ユニットによって形成される配光パターンの一例を示す模式図である。

【図4】本開示に係る光学ユニットにおける平行光の一例を示す模式図である。

【図5A】本開示に係るレンズアレイの別例を示す模式図である。

【図5B】本開示に係るレンズアレイの別例を示す模式図である。

【図5C】本開示に係るレンズアレイの別例を示す模式図である。

【図6】本開示に係るレンズアレイによる配光形成方法の一例を説明する模式図である。

【図7】本開示に係るレンズアレイの自由曲面の設計方法の一例を説明する模式図である。

【図8】第二実施形態に係る光学ユニットの一例を示す模式図である。

【図9】図８に示す光学ユニットの斜視図である。

【図10A】図８に示す光学ユニットによって形成される配光パターンの一例を示す模式図である。

【図10B】図８に示す光学ユニットによって形成される配光パターンの一例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本開示に係る実施の形態の例を、図面を参照しつつ説明する。以下の説明では、異なる図面であっても同一又は相当の要素には同一の符号又は名称を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

【0027】

［第一の実施形態］
図１Ａは、本開示の第一の実施形態に係る光学ユニット１の模式図である。図２は、光学ユニット１におけるレンズアレイ３０の平面図（レンズアレイ３０をその出射面側から視た図）である。図３は、光学ユニット１によって形成される配光パターンＰ１の模式図である。光学ユニット１は、光源１０と、光学手段２０と、レンズアレイ３０と、を備えている。

【0028】

光源１０は、特に制限はされないが、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や半導体レーザである。光源１０は、例えば、白色またはその他の色の光を発する。光源１０は、例えば、矩形状（例えば、正方形や長方形）の発光面を有している。光源１０から出射される光は、光学手段２０によってレンズアレイ３０へ向かう平行光になる。光源１０は、例えば、光学手段２０の光源側の焦点に配置される。

【0029】

光学手段２０は、光源１０から出射された光をレンズアレイ３０へ向かう平行光にする機能を有する。光学手段２０の出射面の形状は、特に制限はされないが、例えば、平面状であることが好ましい。光学手段２０の出射面の形状を平面状とし、かつ、レンズアレイ３０の入射面の形状を平面状とすることで、両者を貼り合わせて一体的な構造とすることができる。このような一体的な構造を採用することで、省スペース性に寄与することができる。ただし、光学ユニット１は、光学手段２０とレンズアレイ３０とを張り合わせずに、別体として構成してもよい。

【0030】

光学手段２０としては、上記機能を有するものであれば特に制限はされないが、例えば、コリメータレンズやパラボラ反射鏡を用いることができる。図１Ａに示す例では、光学手段２０はコリメータレンズであり、具体的には、内面での全反射を利用したＴＩＲ（Total Internal Reflection）反射鏡である。

【0031】

ここで、図１Ｂは、光学ユニット１の変形例である光学ユニット１０１を示す模式図である。光学ユニット１０１における光学手段１２０は、コリメータレンズであって、具体的には、フレネルレンズと全反射プリズムを一体化したものである。光学ユニット１と光学ユニット１０１とは、光学手段として用いたコリメータレンズの種類を除いて、同様の構成である。以下において言及される光学手段２０は、光学手段１２０であってもよい。

【0032】

レンズアレイ３０は、入射面３０ａと、複数の第１レンズ要素３１からなる第１出射面３２と、複数の第２レンズ要素３３からなる第２出射面３４と、を有する。入射面３０ａは、上述の理由により、平面状であることが好ましい。レンズアレイ３０は、光学手段２０と貼り合わせて一体的な構造を採用することが好ましい。光学手段２０からの平行光は、入射面３０ａに入射し、第１出射面３２または第２出射面３４から出射される。

【0033】

第１レンズ要素３１の出射面は、第１自由曲面３１ａによって形成されている。第１レンズ要素３１は、入射面３０ａから入射する平行光を第１自由曲面３１ａから出射する。第１自由曲面３１ａから出射される光は、第１自由曲面３１ａの形状に基づいて屈折し、例えば、図３に示す配光パターンＰ１のうちの第１配光部Ｚ１へ向かって照射される。

【0034】

第２レンズ要素３３の出射面は、第１自由曲面３１ａとは形状が異なる第２自由曲面３３ａによって形成されている。第２レンズ要素３３は、入射面３０ａから入射する平行光を第２自由曲面３３ａから出射する。第２自由曲面３３ａから出射される光は、第２自由曲面３３ａの形状に基づいて屈折し、例えば、図３に示す配光パターンＰ１のうちの第２配光部Ｚ２へ向かって照射される。

【0035】

ここで、配光パターンＰ１は、例えば、自動車用の前照灯のロービーム用の配光パターンである。配光パターンＰ１は、複数の第１自由曲面３１ａ（第１出射面３２）から出射される光によって形成される第１配光部Ｚ１と、複数の第２自由曲面３３ａ（第２出射面３４）から出射される光によって形成される第２配光部Ｚ２と、の組み合わせによって構成されている。

【0036】

第１配光部Ｚ１は、従来のロービームのカットラインに相当する部分を含む。具体的には、第１配光部Ｚ１の上端が、カットラインを形成している。このカットラインは、第１自由曲面３１ａの形状に基づく配光制御によって形成される。これにより、遮光体で一部の光を遮ってカットラインを形成する場合よりも、光の利用効率を向上させることができる。なお、光学ユニット１は、遮光体を含んでいないことが好ましいが、一部のレンズ要素は遮光体を有していてもよい。一部のレンズ要素が遮光体を有していたとしても、全てのレンズ要素が遮光体を有している場合よりは、光の利用効率が高くなる。

【0037】

レンズアレイ３０の説明に戻る。第１レンズ要素３１および第２レンズ要素３３は、図２に示すように各レンズ要素をレンズアレイ３０の出射面側から視た場合（各レンズ要素を出射面に向かう平行光の進行方向とは反対側の方向から視た場合）において、所定の方向の長さが０．２５ｍｍ以上であり、１ｍｍ以上であることが好ましく、２ｍｍ以上であることがより好ましい。

【0038】

ここで、所定の方向の長さとは、例えば、レンズ要素が矩形状である場合、縦方向および／または横方向の長さである。また、所定の方向の長さは、例えば、レンズ要素が円形状である場合は直径方向の長さであり、レンズ要素が楕円形状である場合は長軸方向および／または短軸方向の長さである。なお、レンズ要素の形状は四角形状（例えば、矩形状）であることが好ましく、各レンズ要素が隙間なく並べられていることが好ましい。なお、以下の説明において、各レンズ要素の大きさや長さや形状とは、各レンズ要素をレンズアレイの出射面側から視た場合のものを指す。

【0039】

所定の方向の長さを０．２５ｍｍ以上とすることにより、各レンズ要素の自由曲面の設計および製造がし易くなる。また、一つ一つのレンズ要素を大きくすれば、レンズアレイ３０の単位面積あたりのレンズ要素の数が少なくなる。そのため、加工上の精度によって各レンズ要素の縁部分に生じうる、配光パターンの形成に関与しない無効部の総面積を少なくすることができる。結果として、グレア等の迷光を低減できる。一方で、上記所定方向の長さの規定を満たす範囲において、一つ一つのレンズ要素を小さくすれば、各レンズ要素の自由曲面を制御して配光パターンを細かく調整することが可能になる。各レンズ要素のサイズは、無効部の総面積と配光パターンの調整という２つの観点に基づいて決定されることが好ましい。

【0040】

一例として、第１レンズ要素３１は、縦方向の長さａ１が０．７ｍｍ、横方向の長さｂ１が０．３ｍｍの長方形状である。また、一例として、第２レンズ要素３３は、縦方向の長さａ２が１．５ｍｍ、横方向の長さｂ１が１．０ｍｍの長方形状である。

【0041】

第１レンズ要素３１および第２レンズ要素３３の大きさは、所望の配光パターンに応じて適宜決定すればよい。レンズ要素の大きさを変更することで、配光パターン内において当該レンズ要素が受け持つ部位の光量を調整することができる。

【0042】

各レンズ要素の配置は、特に制限はされないが、カットラインの形成に関与する第１レンズ要素３１は、光学手段２０の端部からの平行光が入射する位置にあることが好ましい。すなわち、図２に示すように、レンズアレイ３０の中央部に第２レンズ要素３３が配置され、当該中央部の周囲に第１レンズ要素３１が配置されることが好ましい。

【0043】

図４は、上記の配置が好ましいことを説明するための図である。図４は、具体的には、光学ユニットにおける平行光の一例を示す模式図である。図４に示す光学ユニット２０１は、光源１０と、光学手段（コリメータレンズ）２２０と、レンズアレイ３０と、を備えている。

【0044】

光源１０から出射された光は、光学手段２２０によって光軸Ａｘに平行な平行光とされる。しかし、光学手段２２０から出射される光は、その全てが光軸Ａｘに完全に平行となるわけではなく、その一部は光軸Ａｘに平行な方向から僅かにズレた方向へと進む。ここで、光学手段２２０から見た光源１０の視角サイズは、光学手段２２０の中央部２２０ｂよりも端部２２０ａの方が小さく、端部２２０ａの方が光源１０の視覚サイズが点光源に近付く。そのため、端部２２０ａを通る光線は、中央部２２０ｂを通る光線よりも平行光に近くなる。すなわち、端部２２０ａを通過して光軸Ａｘに平行となった光Ｌ１の周囲の光のズレＳ１は、中央部２２０ｂを通過して光軸Ａｘに平行となった光Ｌ２の周囲の光のズレＳ２よりも小さくなる。よって、端部２２０ａからの平行光が入射する位置に第１レンズ要素３１を配置することで、光軸Ａｘに平行な度合いの高い光を第１レンズ要素３１に入射させることができ、鮮明なカットラインを形成可能になる。

【0045】

図５Ａ～図５Ｃは、レンズアレイ３０の別例を示す模式図である。図５Ａに示すレンズアレイ２３０は、複数のレンズ要素２３１と、複数のレンズ要素２３３と、を備えている。レンズ要素２３１およびレンズ要素２３３は、自由曲面の形状が凹型である。レンズアレイ２３０において、レンズ要素２３１が配置される区画は、レンズ要素２３３が配置される区画と隣接している。

【0046】

図５Ｂに示すレンズアレイ３３０は、複数のレンズ要素３３１と、複数のレンズ要素３３３と、を備えている。レンズ要素３３１およびレンズ要素３３３は、自由曲面の形状が凸型である。レンズアレイ３３０では、その中央部にレンズ要素３３１が配置される区画があり、当該中央部の周囲にレンズ要素３３３が配置される区画がある。

【0047】

図５Ｃに示すレンズアレイ４３０は、複数のレンズ要素４３１と、複数のレンズ要素４３３と、複数のレンズ要素４３５と、を備えている。レンズ要素４３１、レンズ要素４３３、及びレンズ要素４３５は、自由曲面の形状が凹型である。レンズアレイ４３０において、レンズ要素４３１、レンズ要素４３３、及びレンズ要素４３５のそれぞれが配置される区画は、他のレンズ要素が配置される区画と隣接している。

【0048】

図５Ａ～５Ｃに示したように、レンズ要素の種類、数、大きさ、配置、及び自由曲面の構造は、所望する配光パターンに応じて、適宜決定すればよい。本開示に係るレンズアレイは、３種以上のレンズ要素を含むものであってもよい。レンズ要素の種類が増えれば、例えば、配光パターン内において複雑な光度分布を形成することも容易になる。

【0049】

本開示に係るレンズアレイは、自由曲面が凹型のレンズ要素と、自由曲面が凸型のレンズ要素とを含むものであってもよい。また、本開示に係るレンズアレイを構成する各レンズ要素は、上述した所定の方向の長さの規定を満たすレンズ要素のみで構成されることが好ましいが、一部のレンズ要素は当該規定を満たしていなくてもよい。

【0050】

次に、図６を用いて、本開示に係るレンズアレイによる配光形成の方法を更に詳細に説明する。図６には、レンズアレイ５３０と、レンズアレイ５３０から出射される光によって形成される配光パターンＰ１’が示されている。配光パターンＰ１’は、第１配光部Ｚ１’と、第２配光部Ｚ２’と、によって構成されている。

【0051】

レンズアレイ５３０は、レンズ要素５３１ａ、５３１ｅ、５３３ａ、及び５３３ｂ等のレンズ要素を含んでいる。レンズ要素５３１ａとレンズ要素５３１ｅとは、サイズは同じだが、自由曲面の形状が異なる。レンズ要素５３１ａの自由曲面の形状は、第１配光部Ｚ１’のうちの領域Ｚ１’ａへ向けて光を出射するよう設計されている。レンズ要素５３１ｅの自由曲面の形状は、第１配光部Ｚ１’のうちの領域Ｚ１’ｅへ向けて光を出射するよう設計されている。同様に、レンズ要素５３１ａとレンズ要素５３１ｅの間に配置されている各レンズ要素の自由曲面の形状も、それぞれに対応する領域Ｚ１’ｂ～ｄへ向けて光を出射するよう設計されている。すなわち、レンズ要素５３１ａ及びレンズ要素５３１ｅ等のそれぞれは、第１配光部Ｚ１’のうちの異なる領域へ向けて光を出射し、全体として第１配光部Ｚ１’の形成に関与する。

【0052】

レンズ要素５３３ａとレンズ要素５３３ｂとは、サイズは同じだが、自由曲面の形状が異なる。レンズ要素５３３ａの自由曲面の形状は、第２配光部Ｚ２’のうちの領域Ｚ２’ａへ向けて光を出射するよう設計されている。レンズ要素５３３ｂの自由曲面の形状は、第２配光部Ｚ２’のうちの領域Ｚ２’ｂへ向けて光を出射するよう設計されている。レンズ要素５３３ａと同じサイズの他の各レンズ要素についても、自由曲面の形状は、それぞれに対応する領域へ向けて光を出射するよう設計されている。すなわち、レンズ要素５３３ａ及びレンズ要素５３３ｂ等のそれぞれは、第２配光部Ｚ２’のうちの異なる領域へ向けて光を出射し、全体として第２配光部Ｚ２’の形成に関与する。

【0053】

このように、各レンズ要素の自由曲面の形状を変更して、各レンズ要素から出射される光が向かう位置を調整することで、所望の配光パターンを形成することが可能になる。

【0054】

レンズアレイ５３０は、以下のような変更を加えてもよい。例えば、レンズ要素５３１ａ及びレンズ要素５３１ａと同サイズの他の４つのレンズ要素の自由曲面の形状を同一にして、第１配光部Ｚ１’のうちの全領域に向けて光を出射するように設計してもよい（レンズアレイ３０は、このように設計されている）。

【0055】

また、配光パターンＰ１’内において、いずれかのレンズ要素が担当する領域の一部が、他のレンズ要素が担当する領域の少なくとも一部と重複するようにしてもよい。例えば、レンズ要素５３３ａの自由曲面の形状を、第２配光部Ｚ２’のうちの全領域へ向けて光を出射するよう設計し、レンズ要素５３３ｂの自由曲面の形状を、第２配光部のうちの領域Ｚ２’ｂへ向けて光を出射するよう設計してもよい。この場合、領域Ｚ２’ａと領域Ｚ２’ｂとの間に光度分布が形成される。なお、光度分布は、各レンズ要素の大きさを変更することによっても調整できる。

【0056】

図７は、本開示に係るレンズアレイの自由曲面の設計方法の一例を説明する模式図である。図７には、レンズアレイを構成する一つのレンズ要素６３１と、配光パターンが形成される仮想的なスクリーンの一部であるメッシュｍ’１と、が示されている。

【0057】

まず、レンズ要素６３１の自由曲面６３１ａを、複数のメッシュｍによって区画する。複数のメッシュｍは、面積が異なるものを含んでいてもよい。また、グレア等の迷光を発生しうる無効部を少なくするという観点から、メッシュｍは、矩形状であることが好ましい。

【0058】

次に、自由曲面６３１ａに施された区画と対応するように、自由曲面６３１ａが担当する仮想スクリーン上の領域も複数のメッシュによって区画する。次に、各メッシュｍを通過する光線について光線追跡をし、その結果に基づいてメッシュｍにおける微小面の形状を計算する。例えば、メッシュｍ１の４隅を通過する光Ｌ１１～Ｌ１４について光線追跡をし、これらの光がメッシュｍ１に対応するメッシュｍ’１（仮想スクリーン上の一領域）の４隅へ向かう方向へと屈折するように、メッシュｍ１の微小面の形状を計算する。他のメッシュｍについても同様の作業をすることで、自由曲面６３１ａの形状を設計することができる。なお、光線追跡や微小面の形状の計算には、コンピュータ装置を用いることが好ましい。また、上記のような光線追跡と形状計算によって、光度分布を調整することもできる。

【0059】

［第二の実施形態］
本開示の第二の実施形態に係る光学ユニットは、複数の光学ユニットから構成される。図８は、本開示の第二の実施形態に係る光学ユニット３０１の模式図である。図９は、光学ユニット３０１の斜視図である。図１０Ａは、光学ユニット３０１によって形成される配光パターンＰ１１を示す。図１０Ｂは、光学ユニット３０１によって形成される配光パターンＰ１２を示す。

【0060】

図８に示すように、光学ユニット３０１は、第１光学ユニット８３２と、第２光学ユニット７３２と、第３光学ユニット９３２と、を備えている。また、第１光学ユニット８３２は、光源１０と、光学手段２０と、レンズアレイ８３０と、を備えている。第２光学ユニット７３２は、光源１０と、光学手段２０と、レンズアレイ７３０と、を備えている。第３光学ユニット９３２は、光源１０と、光学手段２０と、レンズアレイ９３０と、を備えている。

【0061】

レンズアレイ８３０は、複数のレンズ要素８３１によって構成されている。レンズ要素８３１の自由曲面の形状は、例えば、図１０Ａに示す配光パターンＰ１１のうちの第１配光部Ｚ１１へ向けて光を出射するよう設計されている。

【0062】

レンズアレイ７３０は、複数のレンズ要素７３１によって構成されている。レンズ要素７３１の自由曲面の形状は、例えば、図１０Ａに示す配光パターンＰ１１のうちの第２配光部Ｚ１２へ向けて光を出射するよう設計されている。

【0063】

配光パターンＰ１１は、例えば、自動車用の前照灯のロービーム用の配光パターンである。配光パターンＰ１１は、レンズアレイ８３０から出射される光によって形成され、カットラインを含む第１配光部Ｚ１１と、レンズアレイ７３０から出射される光によって形成される第２配光部Ｚ１２と、によって構成されている。第１配光部Ｚ１１と第２配光部Ｚ１２の重複箇所である重複部Ｚ１３は、例えば、配光パターンＰ１１における他の箇所よりも光度が高くなっている。配光パターンＰ１１は、さらに、レンズ要素７３１やレンズ要素８３１の自由曲面の形状等に基づいた光度分布であって、ロービームに適した光度分布を有していてもよい。

【0064】

レンズアレイ９３０は、複数のレンズ要素９３１によって構成されている。レンズ要素９３１の自由曲面の形状は、例えば、図１０Ｂに示す配光パターンＰ１２のうちの第３配光部Ｚ１４へ向けて光を出射するよう設計されている。

【0065】

配光パターンＰ１２は、例えば、自動車用の前照灯のハイビーム用の配光パターンである。配光パターンＰ１２は、レンズアレイ９３０から出射される光によって形成される第３配光部Ｚ１４と同一である。配光パターンＰ１２は、レンズ要素９３１の自由曲面の形状等に基づいた光度分布であって、ハイビームに適した光度分布を有していてもよい。

【0066】

このように、光学ユニット３０１は、各光源１０のオンオフを切り替えることで、ロービーム及びハイビームの両方の配光パターンを実現することができる。

【0067】

以上、本開示に係る光学ユニットについて複数の実施形態を例に挙げて説明した。本開示に係る光学ユニットは、例えば、車両用灯具として好適に用いることができる。本開示に係る光学ユニットは、具体的には、車両の前照灯、フォグランプ、ポジションランプ、リヤコンビネーションランプ、ターンシグナルランプ、又は、歩行者や他車両のドライバーに自車両の状況を知らせる各種ランプ等に好適に用いることができる。

【0068】

なお、本開示の光学ユニットおよび車両用灯具において、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。上記説明した構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本開示を実施する上で好適な数、位置、形状等に変更することができる。また、本開示に係る実施形態および変形例が含む要素は、矛盾の生じない範囲で互いに組み合わせることができる。

【符号の説明】

【0069】

１，１０１，２０１，３０１：光学ユニット
１０：光源
２０，１２０，２２０：光学手段（コリメータレンズ）
３０，２３０，３３０，４３０，５３０，７３０，８３０，９３０：レンズアレイ
３０ａ：入射面
３１：第１レンズ要素
３１ａ：第１自由曲面
３２：第１出射面
３３：第２レンズ要素
３３ａ：第２自由曲面
３４：第２出射面
２３１，２３３，３３１，３３３，４３１，４３３，４３５，５３１ａ，５３１ｂ，５３３ａ，５３３ｅ，６３１，７３１，８３１，９３１：レンズ要素
７３０ａ，８３０ａ，９３０ａ：入射面
７３２：第２光学ユニット
８３２：第１光学ユニット
９３２：第３光学ユニット
Ａｘ：光軸
ｍ，ｍ１，ｍ’１：メッシュ
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ１１～Ｌ１４：光
Ｐ１，Ｐ１’，Ｐ１１，Ｐ１２：配光パターン
Ｚ１，Ｚ１’，Ｚ１１：第１配光部
Ｚ２，Ｚ２’，Ｚ１２：第２配光部
Ｚ１３：重複部
Ｚ１４：第３配光部

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】