JP2008078043A - レンズアレイ、照明装置、及び、照明システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の照明光を重ね合わせた場合にも急激な照度値の変化を発生させることなく全体として違和感のない照明光を生成することができるレンズアレイを提供する。
【解決手段】照明システム１は、３種類の各レンズアレイ２６〜２８による各照射領域Ａ１〜Ａ３を組み合わせることによって照明光全体としての配光パターンを構成する。この場合において、各レンズアレイ２６〜２８は、レンズ基板２６ａ〜２８ａの入射側にマトリクス状に配列して形成された球面状をなす複数のレンズ曲面２６ｂ〜２８ｂと、各レンズ曲面２６ｂ〜２８ｂにそれぞれ対向してレンズ基板２６ａ〜２８ａの出射側に形成されたシリンドリカルレンズ面からなる光学面２６ｃ〜２８ｃとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、予め設定された照射領域を所定の配光で照射するレンズアレイ、照明装置、及び、照明システムに関する。

一般に、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、消費電力が小さく長寿命であるという利点を有する。そこで、近年では、ＬＥＤを光源として用いた照明装置が数多く提案されている。例えば、特許文献１には、複数のレンズセルがマトリクス状に配列されたフライアイレンズ（レンズアレイ）をＬＥＤに対向配置した照明装置が提案されている。このような技術によれば、ＬＥＤからの出射光を指向角３０度未満の略平行光に制御して各レンズセルに入射させることにより、レンズセルの平面視形状に相似する特定の照射領域を均一照度で照射することが可能となる。
特開２００５−１９０９５４公報

ところで、近年においては、ＬＥＤの高出力化に伴い、車載のヘッドライトやフォグランプ等のように大光量が要求される車両用灯具においても、光源としてＬＥＤを適用することが期待されている。この場合、例えば、セル寸法、レンズ厚、曲率の異なるフライアイレンズを有する上述の照明装置を複数個組み合わせて照明システムを構成し、異なる配光の照明光を重ね合わせることにより、法規上の配光規格を満足する車両用灯具を実現することが考えられる。

しかしながら、上述の照明装置に用いられるフライアイレンズは、一般に、入射面の像を出射面で結び、投影する原理であるため、異なる照明光の重ね合わせの境界で照度値が急激に変化し、視覚上の違和感を与えてしまう虞がある。

本発明は、複数の照明光を重ね合わせた場合にも急激な照度値の変化を発生させることなく全体として違和感のない照明光を生成することができるレンズアレイ、照明装置、及び、照明システムを提供することを目的とする。

本発明のレンズアレイは、レンズ基板の一方の面にマトリクス状に配列して形成された複数のレンズ曲面と、前記各レンズ曲面に対向して前記レンズ基板の他方の面に形成され、少なくとも１方向の曲率が対向する前記レンズ曲面の同一方向の曲率よりも小さく設定された光学面と、を具備したことを特徴とする。

また、本発明の照明装置は、光源と、前記レンズアレイと、を具備したことを特徴とする。

また、本発明の照明システムは、光源と、少なくとも２種類以上の複数の前記レンズアレイと、を具備し、前記各レンズアレイから出射される照明光の照射領域の少なくとも一部を互いに一致させたことを特徴とする。

本発明によれば、複数の照明光を重ね合わせた場合にも急激な照度値の変化を発生させることなく全体として違和感のない照明光を生成することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図面は本発明の一実施形態に係わり、図１は照明システムの分解斜視図、図２は照明システムを出射側から見た平面図、図３は図２のＩ−Ｉ断面図、図４（ａ）は第１のレンズアレイの平面図であって、図４（ｂ）は図４（ａ）のｂ−ｂ断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）のｃ−ｃ断面図、図５（ａ）は第２のレンズアレイの平面図であって、図５（ｂ）は図５（ａ）のｂ−ｂ断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）のｃ−ｃ断面図、図６（ａ）は第３のレンズアレイの平面図であって、図６（ｂ）は図６（ａ）のｂ−ｂ断面図、図６（ｃ）は図６（ａ）のｃ−ｃ断面図、図７は現行の自動車用ランプ類配光の試験に用いられるフォグランプの配光規格とこの規格を用いた場合の各レンズアレイの照射領域との関係を示す説明図、図８は照明システムによる照度特性を示す説明図である。

図１〜３において符号１は複数の照明装置が一体に構成された照明システムを示し、本実施形態においては、車載のフォグランプを示す。この照明システム１は、例えば、出射面１２ａに片突レンズが固設した複数（例えば、７個）の表面実装型の発光ダイオード（ＬＥＤ）１２を光源とする光源ユニット１０と、この光源ユニット１０に冠設するレンズ光学系ユニット２０とを有する。

光源ユニット１０は、ＬＥＤ基板１１を有する。ＬＥＤ基板１１は、例えば、略円盤状の基板で構成され、各ＬＥＤ１２を半田付け等によって保持し、さらに、保持した各ＬＥＤ１２を図示しない電源回路に電気的に接続する。ここで、本実施形態において、各ＬＥＤ１２は、ＬＥＤ基板１１上に等間隔毎に配置されている。具体的には、各ＬＥＤ１２は、例えば、ＬＥＤ基板１１の中央部に配置された１つのＬＥＤ１２を中心として、他のＬＥＤ１２が同心円上に等間隔で配置されている。また、各ＬＥＤ１２の発光効率を向上するため、ＬＥＤ基板１１の裏面には放熱フィン１３が固着している（図３参照）。

レンズ光学系ユニット２０は、レンズ筐体２１と、複数（例えば、７個）のコリメーションレンズ２３をレンズ筐体２１に保持するコリメーションレンズ保持板２２と、複数種類（例えば、３種類）からなる複数（例えば、７個）のレンズアレイ（後述する第１〜第３のレンズアレイ２６〜２８）をレンズ筐体２１に保持するレンズアレイ保持板２５とを有する。

本実施形態において、レンズ筐体２１は、両端が開口する略円筒形状の部材で構成されている。レンズ筐体２１の内周には段部２１ａが形成されており、この段部２１ａによって、レンズ筐体２１の基部側の内径が先端部側の内径よりも大径に設定されている（図３参照）。ここで、レンズ筐体２１の基部側の内径は、ＬＥＤ基板１１の外径と略一致するよう設定されている。

コリメーションレンズ保持板２２は、その外径がレンズ筐体２１の基部側の内径と略一致する略円盤状の部材で構成されている。このコリメーションレンズ保持板２２には、ＬＥＤ基板１１上の各ＬＥＤ１２にそれぞれ対向する位置に、光軸方向に貫通するレンズ保持穴２２ａが開口されている。そして、コリメーションレンズ保持板２２は、各レンズ保持穴２２ａに、各コリメーションレンズ２３をそれぞれ嵌合保持してコリメーションレンズユニットを構成する。

図３に示すように、各コリメーションレンズ２３を保持したコリメーションレンズ保持板２２は、レンズ筐体２１内に基部側から挿入され、段部２１ａとの当接によってレンズ筐体２１内での位置決めがされる。さらに、レンズ筐体２１内において、コリメーションレンズ保持板２２の基部側にはリング状のスペーサ２４が配設されており、レンズ光学系ユニット２０が光源ユニット１０に冠設した際に、コリメーションレンズ保持板２２は、スペーサ２４を介してＬＥＤ基板１１に対向する。そして、スペーサ２４によって各ＬＥＤ１２と各コリメーションレンズ２３との光軸距離が適値に規定されることにより、各コリメーションレンズ２３は、対応するＬＥＤ１２からの入射光を、それぞれ略平行光に変換して出射する。

レンズアレイ保持板２５は、レンズ筐体２１の先端部に冠設する略円盤状の部材で構成されている。このレンズアレイ保持板２５には、コリメーションレンズ保持板２２上の各コリメーションレンズ２３にそれぞれ対向する位置に、光軸方向に貫通するレンズ保持穴２５ａが開口されている。そして、レンズアレイ保持板２５は、各レンズ保持穴２５ａに、各第１〜第３レンズアレイ２６〜２８をそれぞれ嵌合保持してレンズアレイユニットを構成する。

具体的に説明すると、本実施形態において、レンズアレイ保持板２５には、各レンズ保持穴２５ａによって、１個の第１のレンズアレイ２６が保持されているとともに、２個の第２のレンズアレイ２７が保持され、さらに、４個の第３のレンズアレイ２８が保持されている。

図４に示すように、第１のレンズアレイ２６は、レンズ保持穴２５ａに嵌合保持される略円盤状のレンズ基板２６ａの入射面（一方の面）側に、マトリクス状に配列して形成された同一形状をなす複数のレンズ曲面２６ｂを有する。本実施形態において、各レンズ曲面２６ｂは、それぞれ球面状をなし、例えば、車両の車幅方向（Ｘ軸方向）及び上下方向（Ｙ軸方向）に沿ってマトリクス状に配列されている。

また、レンズ基板２６ａの出射面側には、各レンズ曲面２６ｂにそれぞれ対向する光学面２６ｃが形成されている。各光学面２６ｃは、それぞれ、対応するレンズ曲面２６ｂの結像位置を通る面で構成され、少なくとも１方向の曲率が対向するレンズ曲面２６ｂの同一方向の曲率よりも小さく設定されている。具体的には、本実施形態において、各光学面２６ｃは、例えば、上下方向（Ｙ軸方向）の曲率がレンズ曲面２６ｂの曲率と同一に設定され、且つ、車幅方向（Ｘ軸方向）の曲率が「零」に設定された、シリンドリカルレンズ曲面で構成されている。なお、本実施形態において、各光学面２６ｃは、車幅方向（Ｘ軸方向）に同列のものが一体形成されている。

そして、第１のレンズアレイ２６は、コリメーションレンズ２３から各レンズ曲面２６ｂにそれぞれ入射する光を互いに重畳させることにより、特定の照射領域Ａ１（図７参照）を均一照度で照射する。その際、出射側の光学面２６ｃの車幅方向（Ｘ軸方向）の曲率が「零」に設定されているため、各光学面２６ｃからの出射光線は所定に発散する。

同様に、図５に示しように、第２のレンズアレイ２７は、レンズ保持穴２５ａに嵌合保持される略円盤状のレンズ基板２７ａの入射面（一方の面）側に、マトリクス状に配列して形成された同一形状をなす複数のレンズ曲面２７ｂを有する。本実施形態において、各レンズ曲面２７ｂは、それぞれ球面状をなし、例えば、車両の車幅方向（Ｘ軸方向）及び上下方向（Ｙ軸方向）に沿ってマトリクス状に配列されている。

また、レンズ基板２７ａの出射面側には、各レンズ曲面２７ｂにそれぞれ対向する光学面２７ｃが形成されている。各光学面２７ｃは、それぞれ、対応するレンズ曲面２７ｂの結像位置を通る面で構成され、少なくとも１方向の曲率が対向するレンズ曲面２７ｂの同一方向の曲率よりも小さく設定されている。具体的には、本実施形態において、各光学面２７ｃは、例えば、上下方向（Ｙ軸方向）の曲率がレンズ曲面２７ｂの曲率と同一に設定され、且つ、車幅方向（Ｘ軸方向）の曲率が「零」に設定された、シリンドリカルレンズ曲面で構成されている。なお、本実施形態において、各光学面２７ｃは、車幅方向（Ｘ軸方向）に同列のものが一体形成されている。

そして、第２のレンズアレイ２７は、コリメーションレンズ２３から各レンズ曲面２７ｂにそれぞれ入射する光を互いに重畳させることにより、特定の照射領域Ａ２（図７参照）を均一照度で照射する。その際、出射側の光学面２７ｃの車幅方向（Ｘ軸方向）の曲率が「零」に設定されているため、各光学面２７ｃからの出射光線は所定に発散する。

同様に、図６に示しように、第３のレンズアレイ２８は、レンズ保持穴２５ａに嵌合保持される略円盤状のレンズ基板２８ａの入射面（一方の面）側に、マトリクス状に配列して形成された同一形状をなす複数のレンズ曲面２８ｂを有する。本実施形態において、各レンズ曲面２８ｂは、それぞれ球面状をなし、例えば、車両の車幅方向（Ｘ軸方向）及び上下方向（Ｙ軸方向）に沿ってマトリクス状に配列されている。

また、レンズ基板２８ａの出射面側には、各レンズ曲面２８ｂにそれぞれ対向する光学面２８ｃが形成されている。各光学面２８ｃは、それぞれ、対応するレンズ曲面２８ｂの結像位置を通る面で構成され、少なくとも１方向の曲率が対向するレンズ曲面２８ｂの同一方向の曲率よりも小さく設定されている。具体的には、本実施形態において、各光学面２８ｃは、例えば、上下方向（Ｙ軸方向）の曲率がレンズ曲面２８ｂの曲率と同一に設定され、且つ、車幅方向（Ｘ軸方向）の曲率が「零」に設定された、シリンドリカルレンズ曲面で構成されている。なお、本実施形態において、各光学面２８ｃは、車幅方向（Ｘ軸方向）に同列のものが一体形成されている。

そして、第３のレンズアレイ２８は、コリメーションレンズ２３から各レンズ曲面２８ｂにそれぞれ入射する光を互いに重畳させることにより、特定の照射領域Ａ３（図７参照）を均一照度で照射する。その際、出射側の光学面２８ｃの車幅方向（Ｘ軸方向）の曲率が「零」に設定されているため、各光学面２８ｃからの出射光線は所定に発散する。

ところで、照明システム１をフォグランプとして使用する場合、図７に示すように、照射距離１０ｍの地点において、照明システム１の正面位置Ｃ１での最高光度が１００００ｃｄ以下であることが要求される。また、Ｃ１の左右位置において、位置Ｃ２での光度が１０００ｃｄ以上、位置Ｃ３での光度が７５０ｃｄ以上、且つ、位置Ｃ４での光度が３００ｃｄ以上であることが要求される。さらに、水平以上の領域において、位置Ｃ５での光度が６５０ｃｄ以下、且つ、位置Ｃ６での光度が３００ｃｄ以下であることが要求される。

このため、本実施形態において、第１のレンズアレイ２６の各レンズ曲面２６ｂを平面視した際の縦横寸法比は、例えば、２．２：２．２８に設定されている。そして、各レンズ曲面２６ｂ及び光学面２６ｃの曲率や頂間距離等を実験やシミュレーション等を用いて適値に設定することにより、第１のレンズアレイ２６の照射領域Ａ１として、例えば、図４に示すように、幅方向に約−６．５°〜６．５°、高さ方向に約−１０°〜−１°の矩形領域、すなわち、地点Ｃ１，Ｃ２を包含する領域が規定されている。

また、第２のレンズアレイ２７の各レンズ曲面２７ｂを平面視した際の縦横寸法比は、例えば、１．９：４．３６に設定されている。そして、各レンズ曲面２７ｂ及び光学面２７ｃの曲率や頂間距離等を実験やシミュレーション等を用いて適値に設定することにより、第２のレンズアレイ２７の照射領域Ａ２として、例えば、図４に示すように、幅方向に約−１５°〜１５°、高さ方向に約−１０°〜−１°の矩形領域、すなわち、地点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を包含する領域が規定されている。ここで、本実施形態において、各第２のレンズアレイ２７は、その光軸調整によって、照射領域Ａ１の中心と照射領域Ａ２の中心とが一致するよう設定されている。さらに、照射領域Ａ２が、照射領域Ａ１の全域を包含するよう設定されている。

また、第３のレンズアレイ２８の各レンズ曲面２８ｂを平面視した際の縦横寸法比は、例えば、１．５：４．５２に設定されている。そして、各レンズ曲面２８ｂ及び光学面２８ｃの曲率や頂間距離等を実験やシミュレーション等を用いて適値に設定することにより、第３のレンズアレイ２８の照射領域Ａ３として、例えば、図４に示すように、幅方向に約−２２°〜２２°、高さ方向に約−１０°〜−１°の矩形領域、すなわち、地点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を包含する領域が規定されている。ここで、本実施形態において、各第３のレンズアレイ２８は、その光軸調整によって、照射領域Ａ１，Ａ２の中心と照射領域Ａ３の中心とが一致するよう設定されている。さらに、照射領域Ａ３が、照射領域Ａ１，Ａ２の全域を包含するよう設定されている。

これら各設定により、本実施形態の照明システム１では、照射領域Ａ１〜Ａ３が重畳された領域の光度が最も高く、次いで照射領域Ａ２，Ａ３が重畳された領域の光度が高く、照射領域Ａ３単独の領域の光度が最も低いという配光パターンが実現する。そして、各ＬＥＤ１２の出力を適値に調整することにより、フォグランプに要求される配光規格を満足させることが可能となる。

ここで、上述の本照明システム１で得られる照明光のシミュレーション結果に基づく照度特性線を図８（ａ）に示し、照明光全体の照度分布を図８（ｂ）に示す。また、その比較例として、第１〜第３のレンズアレイ２６〜２８の各光学面２６ｃ〜２８ｃをそれぞれレンズ曲面２６ｂ〜２８ｂと同形状をなす球面状に形成した場合（すなわち、第１〜第３のレンズアレイを入、出射側に両突のフライアイレンズで構成した場合）の照明システムで得られる照明光のシミュレーション結果に基づく照度特性線を図８（ｃ）に示し、照明光全体の照度分布を図８（ｄ）に示す。なお、図８（ａ），（ｃ）中に実線で示す特性線は図７中のＬ１線に沿う特性線であり、図８（ａ），（ｃ）中に破線で示す特性線は図７中のＬ２線に沿う特性線である。これらの比較からも明らかなように、本実施形態の照明システム１では、３種類の各レンズアレイ２６〜２８による各照射領域Ａ１〜Ａ３を組み合わせた場合にも、特に、車幅方向（Ｘ軸方向）の照度をなだらかに変化させることができ、全体として違和感のない照明光を生成することができる。すなわち、各レンズアレイ２６〜２８の光学面２６ｃ〜２８ｃを車幅方向（Ｘ軸方向）の曲率が零となるシリンドリカルレンズ曲面で形成することにより、レンズ曲面２６ｂ〜２８ｂで集光されて光学面２６ｃ〜２８ｃから出射する光のうち、車幅方向（Ｘ軸方向）に出射角を有する光の一部を所定に散乱させることができ、当該方向の照射領域の境界における照度をなだらかに変化させることができる。

また、このような照明システム１によれば、３種類の各レンズアレイ２６〜２８による各照射領域Ａ１〜Ａ３の組み合わせによって、照明光全体として配光パターンを構成することにより、簡単な構成で、光の利用効率を低下させることなく、所望の配光パターンを構成することができる。すなわち、各種レンズアレイ２６〜２８で形成される照射領域Ａ１〜Ａ３を組み合わせて、リフレクタ等を用いることなく所望の配光パターンを構成することにより、構造を簡素化することができ、特に、照明システム１の光軸方向の寸法を飛躍的に短縮することができる。さらに、反射によるエネルギーロスが発生しないため、各ＬＥＤ１２から出射する光を有効に活用することができる。

ここで、上述の説明において、各レンズアレイ２６〜２８の光学面２６ｃ〜２８ｃの曲率を対応するレンズ曲面２６ｂ〜２８ｂに対して１方向のみ小さく設定した一例について説明したが、その他、例えば、レンズアレイ２６〜２８のうちの少なくとも何れか１つにおいて、光学面２６ｃ〜２８ｃの全方向の曲率を、対応するレンズ曲面２６ｂ〜２８ｂの曲率よりも小さく設定してもよい。

例えば、第１〜第３のレンズアレイ２６〜２８の光学面２６ｃ〜２８ｃの全方向の曲率を「零」に設定して、光学面２６ｃ〜２８ｃを平面で形成することも可能である。なお、光学面２６ｃをレンズ基板２６ａに平行な平面で形成したときの第１のレンズアレイ２６を図９に示す。また、各光学面２６ｃ〜２８ｃがレンズ基板２６ａ〜２８ａに平行な平面で形成された第１〜第３のレンズアレイ２６〜２８を用いた照明システム１で得られる照射光のシミュレーション結果に基づく照度特性線お余に照度分布を図１０（ａ），（ｂ）に示す。図１０からも明らかなように、このような構成の各レンズアレイ２６〜２８による各照射領域Ａ１〜Ａ３を組み合わせた場合にも、照度をなだらかに変化させることができ、全体として違和感のない照明光を生成することができる。

さらに、第１〜第３のレンズアレイ２６〜２８のうちの少なくとも何れか１つにおいて、光学面２６ｃ〜２８ｃを平面で形成し、レンズ基板２６ａ〜２８ａに対して傾斜させることも可能である。なお、光学面２６ｃをレンズ基板２６ａに対して傾斜した平面で形成したときの第１のレンズアレイ２６を図１１に示す。このように構成すれば、照射領域の境界における照度をなだらかに変化させることができることは勿論のこと、照射領域内の照度にも勾配を持たせることが可能となる。

なお、上述の実施形態においては、異なる３種類のレンズアレイ２６〜２８を用いて照明システム１を構成した一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、２種類、或いは４種類以上のレンズアレイを用いて照明システムを構成してもよいことは勿論である。また、光学面の形態が異なる各種レンズアレイを適宜組み合わせて用いてもよいことは勿論である。

照明システムの分解斜視図 照明システムを出射側から見た平面図 図２のＩ−Ｉ断面図 （ａ）は第１のレンズアレイの平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ断面図 （ａ）は第２のレンズアレイの平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ断面図 （ａ）は第３のレンズアレイの平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ断面図 現行の自動車用ランプ類配光の試験に用いられるフォグランプの配光規格とこの規格を用いた場合の各レンズアレイの照射領域との関係を示す説明図 照度特性を示す説明図 （ａ）は第１のレンズアレイの変形例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ断面図 照明システムによる照度特性を示す説明図 （ａ）は第１のレンズアレイの変形例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ断面図

符号の説明

１…照明システム、１０…光源ユニット、１２…発光ダイオード（光源）、２０…レンズ光学系ユニット、２６…第１のレンズアレイ、２６ａ…レンズ基板、２６ｂ…レンズ曲面、２６ｃ…光学面、２７…第２のレンズアレイ、２７ａ…レンズ基板、２７ｂ…レンズ曲面、２７ｃ…光学面、２８…第３のレンズアレイ、２８ａ…レンズ基板、２８ｂ…レンズ曲面、２８ｃ…光学面

Claims (5)

1. レンズ基板の一方の面にマトリクス状に配列して形成された複数のレンズ曲面と、
   前記各レンズ曲面に対向して前記レンズ基板の他方の面に形成され、少なくとも１方向の曲率が対向する前記レンズ曲面の同一方向の曲率よりも小さく設定された光学面と、を具備したことを特徴とするレンズアレイ。
2. 前記光学面は、シリンドリカルレンズ曲面であることを特徴とする請求項１記載のレンズアレイ。
3. 前記光学面は、前記レンズ曲面の光軸に対して傾斜する平面であることを特徴とする請求項１記載のレンズアレイ。
4. 光源と、
   請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のレンズアレイと、を具備したことを特徴とする照明装置。
5. 光源と、
   請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の、少なくとも２種類以上の複数のレンズアレイと、を具備し、
   前記各レンズアレイから出射される照明光の照射領域の少なくとも一部を互いに一致させたことを特徴とする照明システム。

Images