(57)【要約】【課題】偏りの大きな配光分布や極端な光度条件を容易に充足することができるレンズ構造及び車両用灯具を提供する。【解決手段】本発明の車両用灯具構成レンズ１０は、光入射面１１と、該光入射面の逆側に配置される光出射面１２とを具備する車両用灯具構成レンズであって、前記光出射面上において、第１の配光分布を実現する第１の光出射範囲１２Ｐと、第２の配光分布を実現する第２の光出射範囲１２Ｔとを有し、前記第１の配光分布は、前記第２の配光分布に対して光軸周りの方位に関する偏り態様が異なり、前記第１の光出射範囲は、前記光出射面に沿った所定の主軸方向に向くとともに光軸に対して傾斜したプリズム出射面部１２ｐｅを備えた複数のプリズム領域１２ｐｒが連続して配列されたプリズムアレーにより構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入射面と、該光入射面の逆側に配置される光出射面とを具備する車両用灯具構成レンズであって、
前記光出射面上において、第１の配光分布を実現する第１の光出射範囲と、第２の配光分布を実現する第２の光出射範囲とを有し、
前記第１の配光分布は、前記第２の配光分布に対して光軸周りの方位に関する偏り態様が異なり、
前記第１の光出射範囲は、前記光出射面に沿った所定の主軸方向に向くとともに光軸に対して傾斜したプリズム出射面部を備えた複数のプリズム領域が連続して配列されたプリズムアレーにより構成される、
車両用灯具構成レンズ。
【請求項２】
前記第１の光出射範囲は、相互に異なる傾斜角の前記プリズム出射面部を備える複数の前記プリズム領域を含む、
請求項１に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項３】
前記第１の光出射範囲には、前記傾斜角が漸次一方向に変化する態様の複数の前記プリズム領域の配列部分が存在する、
請求項２に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項４】
前記第１の光出射範囲では、前記複数のプリズム領域は、光軸が通過する中心側から周辺側へ向けて前記傾斜角が漸次一方向に変化する態様で配列される、
請求項３に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項５】
前記第１の光出射範囲は、相互に異なる光出射域の面積を持つ前記プリズム出射面部を備える複数の前記プリズム領域を含む、
請求項１〜４の何れか一項に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項６】
前記プリズム領域は、前記主軸方向の相互に逆向きに傾斜した第１のプリズム出射面部と第２のプリズム出射面部を有する、
請求項１〜５の何れか一項に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項７】
前記第１のプリズム出射面部と前記第２のプリズム出射面部は相互に逆向きであるが同一の傾斜角を有する、
請求項６に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項８】
前記プリズム領域は、前記光軸に沿って前記プリズム領域の内部に入射した光が前記第１のプリズム出射面部と前記第２のプリズム出射面部で全反射するように構成される、
請求項６又は７に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項９】
前記主軸方向は、水平軸方向と垂直軸方向の少なくとも一方である、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項１０】
前記第１の光出射範囲は、前記光軸を通過する少なくとも一の基準面に対して前記主軸方向の両側に対称なプリズム構造を備える、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項１１】
前記第１の光出射範囲は、前記光出射面の中央部において前記第２の光出射範囲に包囲された島状に構成される、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項１２】
前記第１の光出射範囲は、前記第２の光出射範囲に包囲された複数の島状に構成される、
請求項１〜１１の何れか一項に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項１３】
前記第２の光出射範囲には、複数のレンズ領域が配列されてなるレンズアレーが設けられる、
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項１４】
前記複数のレンズ領域のレンズ面はそれぞれトロイダル面である、
請求項１３に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項１５】
前記トロイダル面は、水平軸方向と垂直軸方向とに関して相互に異なる曲線形状を備える、
請求項１４に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項１６】
前記光入射面上には、光源から放出される発散光束を集光平行化するためのコリメーターが形成される、
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項１７】
前記コリメーターは、フレネルレンズである、
請求項１６に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項１８】
発光素子と、
前記発光素子の側に前記光入射面を向けた請求項１〜１７のいずれか一項に記載の車両用灯具構成レンズと、
を具備する車両用灯具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両用灯具構成レンズ及び車両用灯具に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両用灯火類においては、例えば、車両用前照灯や側方照射灯のような照明系の灯具類と、制動灯、補助制動灯、後退灯、尾灯など後続車などからの視認性を追求した表示系の灯具類がある。
【０００３】
国際連合欧州経済委員会(U.N. Economic Commission for Europe, 以下ＥＣＥと略す) 自動車基準調和世界フォーラムにおいては騒音、排出ガス・エネルギー、灯火器、ブレーキと走行装置、衝突安全、安全一般など６つの異なる分野で専門家会議が組織され最新の社会ニーズや技術革新に合わせて規準の策定や改定が行われている。わが国においても自動車基準国際調和として灯火器の制動灯、方向指示器、後退灯などに関してはＥＣＥの規格に従い国土交通省から技術規準が示されている。ところで、従前はＬＥＤなど発光素子の輝度が低いために、如何に効率的に光を出射させるかに重点が置かれていた時期もあった。しかし、最近の急激な技術進歩により、発光素子の輝度が大幅に増大してきていることから、発光素子の指向特性に適応した方法で所望の配光特性を実現する要請が強くなっている。一方、車両用灯火類では、それぞれの用途に応じた配光パターンを定めた技術基準が設けられている。
【０００４】
上記車両用灯火類では、高い視認性や安全性を要求されるために所定の配光パターンや配光範囲が規定される。このような灯類に関する従来文献としては、以下の特許文献がある。以下の特許文献では、フレネルレンズと配光レンズの組み合わせ、コリメーター、レンズアレー、プリズム構造などを用いた車両用灯具が開示され、これらの車両用灯具を小型化する試みも開示されている。しかし、いずれも、実際の車両用灯具の具体的な配光分布を容易に実現するための構成を備えていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平３−５００１号公報
【特許文献２】特開２０１５−２２９８４号公報
【特許文献３】特開２０１０−１６５４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
制動灯や方向指示器などの表示系の車両用灯具においては所要の表示特性を示すために、また、前照灯や前部霧灯や後退灯などの照明系の車両用灯具においては所要の表示特性に加えてさらに所要の照明特性をも備えるように、上述の国土交通省の技術規準（＝ＥＣＥ規格）に示されている配光分布が設定されている。これらの配光分布の中には、単一のレンズ形状では実現しにくい複雑なものもあり、その上、最大光度や最小光度などの光度条件をも満たす必要があるために、レンズ設計が困難であるという問題がある。例えば、後退灯では、表示系の車両用灯具よりも広角の範囲においてより高い光度が要求されるとともに、照明特性の目的に応じて偏った配光分布が要求される。
【０００７】
本発明は上記問題を解決することを課題とする。すなわち、本発明の課題は、偏りの大きな配光分布や極端な光度条件を容易に充足することができるレンズ構造及び車両用灯具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の車両用灯具構成レンズは、光入射面と、該光入射面の逆側に配置される光出射面とを具備し、前記光出射面上において、第１の配光分布を実現する第１の光出射範囲と、第２の配光分布を実現する第２の光出射範囲とを有する。このとき、前記第１の配光分布は、前記第２の配光分布に対して光軸周りの方位に関する偏り態様が異なる。また、前記第１の光出射範囲は、前記光出射面に沿った所定の主軸方向に向くとともに光軸に対して傾斜したプリズム出射面部を備えた複数のプリズム領域が連続して配列されたプリズムアレーにより構成される。一方、前記第２の光出射範囲は、曲面状のレンズ面を有することが好ましく、特に、凸曲面状のレンズ面を有することが望ましい。また、前記第２の光出射範囲は、後述するように、複数のレンズ面を配列させたレンズアレーを構成するものであってもよい。
【０００９】
本発明において、前記第１の光出射範囲は、相互に異なる傾斜角の前記プリズム出射面部を備える複数の前記プリズム領域を含むことが好ましい。この場合において、上記傾斜角は、第１の配光分布に対応するように分布していればよい。ただし、特に限定されるものではないが、前記第１の光出射範囲には、前記傾斜角が漸次一方向に変化する態様の複数の前記プリズム領域の配列部分が存在することが望ましい。このとき、前記第１の光出射範囲では、前記複数のプリズム領域は、光軸が通過する中心側から周辺側へ向けて前記傾斜角が漸次一方向に変化する態様で配列されることがさらに望ましい。ここで、「前記傾斜角が漸次一方向に変化する態様」とは、前記傾斜角が漸次増大していく態様、或いは、前記傾斜角が漸次減少していく態様のいずれかをいう。
【００１０】
本発明において、前記第１の光出射範囲は、相互に異なる光出射域の面積を持つ前記プリズム出射面部を備える複数の前記プリズム領域を含むことが好ましい。この場合において、複数のプリズム領域におけるプリズム出射面部の光出射域の面積の大小は、第１の光出射範囲内の入射光の照度分布と逆の相関を有するように設定されることにより、入射光の照度分布による第１の配光分布への影響を低減することができる。例えば、発光素子と、前記発光素子の側に前記光入射面を向けた請求項５に記載の車両用灯具構成レンズと、を具備する車両用灯具においては、前記第１の光出射範囲における複数の前記プリズム領域に関し、前記プリズム出射面部の光出射域の面積の分布を、前記プリズム領域に入射する前記発光素子からの入射光の照度の分布と逆の相関関係を有するものとする場合がある。また、このような相関関係を有する光出射域の面積分布を基準として設計作業を行ってもよい。
【００１１】
本発明において、前記プリズム領域は、前記光出射面に沿った所定の主軸方向の相互に逆向きに傾斜した第１のプリズム出射面部と第２のプリズム出射面部を有することが好ましい。ここで、前記第１のプリズム出射面部と前記第２のプリズム出射面部は相互に逆向きであるが同一の傾斜角を有することが望ましい。
【００１２】
本発明において、前記主軸方向は、水平軸方向と垂直軸方向の少なくとも一方であることが望ましい。ただし、主軸方向が二以上であっても構わない。典型的には、一の主軸方向を有することが好ましく、このときの当該主軸方向は水平軸方向であることが望ましい。また、前記第１のプリズム出射面部と前記第２のプリズム出射面部は、平面であっても曲面であっても構わない。
【００１３】
本発明において、前記プリズム領域は、前記光軸に沿って前記プリズム領域の内部に入射した光が前記第１のプリズム出射面部と前記第２のプリズム出射面部のうちの少なくとも一方のプリズム出射面部で全反射するように構成されることが好ましい。特に、前記光軸に沿って前記プリズム領域の内部に入射した光が前記第１のプリズム出射面部と前記第２のプリズム出射面部で全反射するように構成されることが望ましい。ここで、前記第１のプリズム出射面部と前記第２のプリズム出射面部のうちの他方のプリズム出射面部により屈折して出射されることが望ましい。
【００１４】
本発明において、前記第１の光出射範囲は、前記光出射面の中央部において前記第２の光出射範囲に包囲された島状に構成されることが好ましい。この場合において、前記第１の光出射範囲は、前記中央部において単一の島状に形成されていてもよく、また、前記第１の光出射範囲は、複数の島状に形成されていてもよい。複数の島状に形成された第１の光出射範囲を備える場合には、これらの光出射範囲は主軸方向に配列されることが好ましい。ただし、当該主軸方向と交差する副軸方向に配列されても構わない。
【００１５】
本発明において、前記第１のプリズム出射面部と前記第２のプリズム出射面部の少なくとも一方の傾斜角が相互に異なる複数の前記プリズム領域を有することが好ましい。この場合には、上記傾斜角は、第１の配光分布に対応するように分布していればよい。ただし、特に限定されるものではないが、前記第１の光出射範囲において、前記主軸方向において前記光軸から離れるに従って前記プリズム領域の前記プリズム出射面部の傾斜が減少又は増大のいずれかに漸次変化することが望ましい。
【００１６】
本発明において、前記第１の光出射範囲は、前記光軸を通過する少なくとも一つの基準面に対して前記主軸方向に対称な構造を有することが好ましい。また、複数の前記第１の光出射範囲を備える場合には、前記第１の光出射範囲は、光軸を中心として前記主軸方向に対称な位置に配置されることが好ましい。
【００１７】
本発明において、前記第２の光出射範囲には、前記第２の配光分布をそれぞれが形成可能な複数のレンズ領域が配列されてなるレンズアレーが設けられることが好ましい。各レンズ領域は、特に限定されないが、光軸に沿った入射光を屈折させて前記第２の配光分布を形成するレンズ面を備える。ここで、レンズアレーとしては、上記レンズ面がトロイダル面であるレンズ領域が配列されてなるトロイダルレンズアレーであることが望ましい。特に、上記レンズ領域のレンズ面形状は、水平軸方向と垂直軸方向とに関して相互に異なる曲線形状を備えるトロイダル面であることが好ましい。このトロイダル面は、水平軸方向の曲線形状と垂直軸方向の曲線形状によって定まるレンズ面であって、水平軸方向の曲線形状（レンズ光軸とレンズ面の交点における曲率、コーニック係数、非線形定数、回転半径）と垂直軸方向の曲線形状（レンズ光軸とレンズ面の交点における曲率、コーニック係数、非線形定数、回転半径）の少なくとも一部が一致しないものをいう。また、上記トロイダル面は、後述するバイコーニックレンズの面形状である場合やバイコーニックゼルニケレンズの面形状である場合をも含む。
【００１８】
本発明において、前記光入射面上には、光源から放出される発散光束を集光平行化するためのコリメーターが形成されることが好ましい。特に、前記コリメーターは、軸対称性を備えたレンズ形状を有することが好ましい。特に、前記コリメーターは、フレネルレンズであることが好ましい。また、このフレネルレンズは、中央部が屈折型フレネルレンズ構造あるいは凸レンズ構造を備え、周縁部が反射型フレネルレンズ構造を備えることが望ましい。これによれば、入射角の大きい領域まで集光することができるので、発光素子の放出光を効率的に利用することができる。
【００１９】
次に、本発明の車両用灯具は、発光素子と、該発光素子の側に前記光入射面を向けた上記車両用灯具構成レンズと、を具備することを特徴とする。ここで、前記光入射面上には、光源から放出される発散光束を集光平行化するためのコリメーターが形成されることが好ましい。特に、前記コリメーターは、フレネルレンズ構造により構成されることが望ましい。
【００２０】
本発明において、上記発光素子は、例えば、発光ダイオードあるいはレーザ励起蛍光発光デバイスなどのインコヒーレント発光素子であることが好ましい。また、上記発光素子の発光部は、光軸周りに等方状の指向特性（例えば、実質的なランバーシアン型の配光特性）を備える点状光源であることが望ましい。また、上記発光素子の発光部は、前記コリメーターにより前記車両用灯具構成レンズの前記光入射面から前記光出射面に向かう平行光が生ずる位置（焦点位置）に配置されることが好ましい。ここで、点状光源とは、本発明に係るレンズの入射面に向けて発散光束を放出するとみなせるものを広く包含し、厳密には面状光源ではあるが発光領域の面積が小さく実質的に点状光源とみなせるものも含む。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によれば、光軸周りの方位に関する偏り態様が相互に異なる、第１の光出射範囲により形成される第１の配光分布と第２の光出射範囲により形成される第２の配光分布とを重ねることによって、車両用灯具として要求される配光分布を容易に実現することができる。特に、偏りの大きな配光分布や極端な光度条件にも容易に対応することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態の車両用灯具構成レンズの光出射面を模式的に示す平面図（ａ）、光出射面の形状を模式的に示す横断面図（ｂ）、及び、光出射面の形状を模式的に示す縦断面図（ｃ）である。
【図２】第１実施形態の第１の光出射範囲の拡大断面図（ａ）及び第１の光出射範囲による出射光の光束の態様を示す説明図（ｂ）である。
【図３】後退灯の光度の最小値（ｃｄ）を含む配光分布を示す図（ａ）、及び、制動灯の光度の最小値（％）を含む配光分布を示す図（ｂ）である。
【図４】第１実施形態の第１の光出射範囲のプリズムアレーの構造例を示す断面図（ａ）、他の構造例を示す断面図（ｂ）、及び、一つのプリズム領域の斜視図（ｃ）である。
【図５】第１実施形態及び第２実施形態の光入射面にフレネルレンズ構造を形成した場合の平面図（ａ）及び横断面図（ｂ）である。
【図６】上記レンズの出射面のレンズ領域のレンズ面形状の例を模式的に示す斜視図である。
【図７】レンズ領域のトロイダル面ＳＵ上の単位出射領域Ｓｕを示す平面図（ａ）、単位出射領域Ｓｕ（出射位置Ｐｕ）からデテクタ面ＤＴ上の単位入射領域Ｓｄ（入射位置Ｐｄ）へ向かう光線追跡の概念を示す説明図（ｂ）、デテクタ面ＤＴ上の条件設定範囲ＳＤ内の単位入射領域Ｓｄを示す平面図（ｃ）及び（ｄ）である。
【図８】制動灯の配光表と条件設定範囲ＳＤとの関係を示す説明図である。
【図９】上記レンズ領域の説明図である。
【図１０】上記レンズの水平軸方向の配光分布を示すグラフ及び垂直軸方向の配光分布を示すグラフである。
【図１１】第２実施形態の第１の光出射範囲１２Ｐから出射される出射光ＥＬ′及びその光束の垂直軸方向の出射の向きをＹ方向に沿った断面図とともに示す説明図（ａ）及びＸ方向に沿った断面図（ｂ）である。
【図１２】第３実施形態の車両用灯具構成レンズの光出射面を模式的に示す平面図（ａ）、光出射面の形状を模式的に示す横断面図（ｂ）、及び、光出射面の形状を模式的に示す縦断面図（ｃ）である。
【図１３】第４実施形態の車両用灯具構成レンズの光出射面を模式的に示す平面図（ａ）、光出射面の形状を模式的に示す横断面図（ｂ）、及び、光出射面の形状を模式的に示す縦断面図（ｃ）である。
【図１４】第５実施形態の車両用灯具構成レンズの光出射面を模式的に示す平面図（ａ）、光出射面の形状を模式的に示す横断面図（ｂ）、及び、光出射面の形状を模式的に示す縦断面図（ｃ）である。
【図１５】第６実施形態の車両用灯具構成レンズの光出射面を模式的に示す平面図（ａ）、光出射面の形状を模式的に示す横断面図（ｂ）、及び、光出射面の形状を模式的に示す縦断面図（ｃ）である。
【図１６】第７実施形態の車両用灯具構成レンズの光出射面及びその配光分布を模式的に示す平面図（ａ）、及び、光出射面の形状を模式的に示す横断面図（ｂ）である。
【図１７】第３実施形態の試作品の水平軸方向の配光分布を示すグラフ（ａ）及び垂直軸方向の配光分布を示すグラフ（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。最初に、図１乃至図５を参照して、本発明に係る第１実施形態の車両用灯具構成レンズ及び車両用灯具について説明する。図１に示すように、上記レンズ１０は、表裏にそれぞれ光入射面１１と光出射面１２を具備する。図示のレンズは、ＬＥＤなどのインコヒーレントな半導体発光素子から放出される光を制御し、所要の配光分布及び配光範囲を実現するために必要なレンズ範囲を、独立したレンズ体として構成した場合を示す。ただし、後述するように、実際には、例えば、上記レンズ範囲を含むリアコンビネーションランプなどを構成する場合などにおいて、上記レンズ範囲を、上記レンズ範囲以外の実質的にレンズ作用に大きく寄与しない部分や他の灯具部分に対応する別のレンズ範囲と一体に構成されたものとしても構わない。また、車両用灯具構成レンズとは、車両用灯具を構成する光学要素としてのレンズを意味する。このとき、車両用灯具は、上記レンズの他に、光源（発光素子）、灯カバー、取付ベース、電源コネクタや配線コードなどを含むことができる。
【００２４】
本実施形態のレンズ１０は、透光性素材からなる部分を有する。透光性素材としては、各種のガラスなど、特に限定されないが、アクリル樹脂やポリカーボネート樹脂などの樹脂材料で構成されることが好ましい。レンズ１０の上記光入射面１１には、図１に示す発光素子（例えば、発光ダイオード）１から放出される発散光束である入射光ＩＬ、若しくは、この入射光ＩＬを図示しないコリメーターＣＯＬにより集光して光軸１０ｘに沿った平行光ＰＬが入射する。上記コリメーターＣＯＬは、レンズ１０とは別体に設置されてもよく、また、図５に示すように、光入射面１１自体に形成されていてもよい。この場合、光入射面１１上にはフレネルレンズ構造を備えたコリメーターを形成することにより、レンズ１０の薄型化を図ることができる。光出射面１２からは出射光ＥＬが出射する。
【００２５】
レンズ１０は、発光素子１の発光部１ａの光軸と一致する光軸１０ｘを備える。光入射面１１は、上述のコリメーターＣＯＬを構成するフレネルレンズ構造を有する場合、図５に示すように、入射面領域１１Ａ，１１Ｂを備えていることが好ましい。このフレネルレンズ構造の入射面領域１１Ａ，１１Ｂは、上記光軸１０ｘを中心とした軸対称（同心状）の光学面部分である。入射面領域１１Ａ，１１Ｂは、発光素子１の上記発光部１ａから放出される入射光ＩＬを集光して上記光軸１０ｘと平行に進む平行光ＰＬをレンズ１０の内部に形成する。なお、この平行光ＰＬとは、厳密な意味での平行光ではなくてもよいが、光出射面１２の出射光ＥＬによって後述する所要の配光分布や配光範囲を得るのに支障のない程度に、すなわち、実質的に、光軸１０ｘと平行に進む光をいう。この平行光ＰＬはレンズ１０の内部を光出射面１２に向けて伝搬する。
【００２６】
上記のような光学特性を得るためには、発光素子１が実質的に点状光源とみなすことができる場合には、当該発光素子１は、上記コリメーターＣＯＬ又は上記フレネルレンズ構造の焦点位置に配置される。発光素子１は発光部１ａから光軸１０ｘを中心としたランバーシアン配光に近い指向特性を有するものであることが好ましい。ここで、ランバーシアン配光は、光軸１０ｘ上（θ＝０°）の光度をＩｖとすると、角度θの光度がＩｖ・ｃｏｓθで示される配光分布である。このような素子としては、例えば、実装面とは反対側の発光部１ａを備えるトップビュー型のＬＥＤなどが挙げられる。発光素子１は、半導体により構成された発光領域を含むものが好ましい。また、発光素子１は、図示例のように、配線基板２上に実装されたチップ状に構成されることが望ましい。上記ランバーシアン配光に近い指向特性を得るためには、当該チップの上面に形成されるレンズ部の外面（出射面）は、平坦面であるか、或いは、半球面であることが好ましい。
【００２７】
図５に示すように、上記光入射面１１の内周側に設けられたフレネルレンズ構造の入射面領域１１Ａは集光面として機能し、いわゆる屈折型レンズ構造を備える。すなわち、上記入射光ＩＬは、入射面領域１１Ａにおいて、フレネルレンズ構造の入射面部１１ａにより屈折されてレンズ１０の内部に入射し、上記平行光ＰＬとなる。一方、外周側に設けられた上記フレネルレンズ構造の入射面領域１１Ｂは、いわゆる反射型レンズ構造を備える。すなわち、上記入射光ＩＬは、フレネルレンズ構造の入射面部１１ｂにおいて屈折して内部へ入射し、その光がレンズ１０の内部においてさらにフレネルレンズ構造の反射面部１１ｃにおいて反射（全反射）されることにより、上記平行光ＰＬとなる。このように構成することにより、入射面１１のフレネルレンズ構造を厚くしなくても、高い入射角を有する外周側の入射光ＩＬ（高入射角の光）をも容易に取り込むことができる。ここで、入射面部１１ａは、光軸１０ｘから離れるに従って漸次傾斜角が増大する。
【００２８】
上記光入射面１１では、上記フレネルレンズ構造（入射面領域１１Ａ，１１Ｂ）が光軸１０ｘを中心に軸対称となるように形成されている。すなわち、図示例では、図５に示されるように、上記フレネルレンズ構造（入射面部１１ａ、１１ｂ及び反射面部１１ｃ）は、光軸１０ｘを中心とした同芯円状に構成される。これにより、光軸１０ｘを中心とした指向特性を備える発光素子１（点状光源）の放出光を上記平行光ＰＬとしてレンズ１０の内部に効率よく取り込むことができる。上記入射面１１の構造は、発光素子１の発光部１ａからの放出光の指向特性が光軸１０ｘの周りに等方状の（均等な、すなわち、軸対称の）配光分布を備える場合に特に好ましい。なお、上記フレネルレンズ構造は、入射面１１の全体（全面）にわたって形成されることが、より多くの放出光を取り込むことができる上で望ましい。
【００２９】
一方、レンズ１０の光出射面１２には、図１に示すように、第１の配光分布を形成する第１の光出射範囲１２Ｐと、第２の配光分布を形成する第２の光出射範囲１２Ｔとが設けられる。第１の光出射範囲１２Ｐでは、水平軸方向Ｘ、垂直軸方向Ｙ、光軸１０ｘに沿った方向を光軸方向Ｚとすると、水平軸方向Ｘに対して傾斜したプリズム出射面部１２ｐｅ１、１２ｐｅ２をそれぞれ備える複数のプリズム領域１２ｐｒが設けられる。図示例では、複数のプリズム領域１２ｐｒが水平軸方向Ｘに沿って配列されている。図示例では、プリズム領域１２ｐｒは断面三角状の突部により構成されるが、これとは逆の凹部により構成されていてもよく、あるいはまた、プリズム出射面部１２ｐｅ１，１２ｐｅ２を曲面状に構成してもよい。図示例では、複数のプリズム領域１２ｐｒは第１の光出射範囲１２Ｐにおいて水平軸方向Ｘに連続して配列されることで、相互に密接した状態で配置されている。ここで、１２ｐｔはプリズム領域１２ｐｒの頂部、１２ｐｖは隣接するプリズム領域１２ｐｒの間の谷部である。なお、図１において、複数のプリズム領域１２ｐｒは模式的に示されており、実際のプリズム領域１２ｐｒの大きさや数を反映するものではない。この点は、後述する図１２〜図１６も同様である。
【００３０】
第１の光出射範囲１２Ｐには、図２（ａ）に示すように、それぞれの第１のプリズム出射面部１２ｐｅ１及び第２のプリズム出射面部１２ｐｅ２の光軸１０ｘに対する傾斜角が異なる複数のプリズム領域１２ｐｒが設けられる。これによって、各プリズム領域１２ｐｒの第１のプリズム出射面部１２ｐｅ１及び第２のプリズム出射面部１２ｐｅ２からそれぞれ出射する偏向光ＥＬ１とＥＬ２の出射角φ１、φ２を分散させることができ、これによって水平軸方向Ｘに分散した第１の配光分布を形成することができる。なお、図２（ａ）では、図示の都合上、複数のプリズム領域１２ｐｒから出射される出射光ＥＬ１、ＥＬ２がほぼ同じ出射角（方位角φａ１、φａ２）となるように表わされている。また、第１の光出射範囲１２Ｐにおいて複数のプリズム領域１２ｐｒが連続して配列されることにより、入射光（平行光ＰＬ）を無駄なく水平軸方向Ｘに分散させることができる。図示例では、二点鎖線で示す偏向光ＥＬ１とＥＬ２はいずれも水平軸方向Ｘの両側にそれぞれ傾斜した斜め横向きの出射光である。光軸１０ｘに沿った平行光ＰＬは、プリズム領域１２ｐｒに入射することにより、水平軸方向Ｘの両側にある第１のプリズム出射面部１２ｐｅ１と第２のプリズム出射面部１２ｐｅ２のうちの一方のプリズム出射面部（図示例では１２ｐｅ２）で全反射し、他方のプリズム出射面部（図示例では１２ｐｅ１）で屈折して出射することにより、出射角φａ１、φａ２（図示例ではφａ１）の偏向光ＥＬ１及びＥＬ２（図示例ではＥＬ１）が形成される。実際には、プリズム領域１２ｐｒごとに斜め横方向の光束Φ１、Φ２が形成される。
【００３１】
本実施形態においては、後述するように、水平軸方向Ｘに対称な配光分布を形成するために、各プリズム領域１２ｐｒを二等辺三角形状の断面を有するものとし、プリズム領域１２ｐｒ内における一方のプリズム出射面部による全反射と他方のプリズム出射面部による屈折により偏向光ＥＬ１及びＥＬ２の出射角φａ１とφａ２が等しく、いずれもφａであり、また、屈折率ｎのプリズム領域の底角ψ１とψ２も等しく、いずれもψであるものとし、第１のプリズム出射面部１２ｐｅ１と第２のプリズム出射面部１２ｐｅ２とがそれぞれ平坦面であるとする。この場合、水平軸方向Ｘの上記出射角（方位角）φａは以下の（１）式で表わされる。
φａ＝ψ−Ｓｉｎ−１［−ｎ・Ｓｉｎ（３ψ）］…（１）
したがって、出射角φａを決めれば底角ψが定まる。また、プリズム領域１２ｐｒの全高Ｈと底辺の幅ｄとは以下の（２）式で表わされるので、Ｈとｄのいずれか一方を決めれば他方が定まる。
ｄ＝２Ｈｔａｎ（π／２−ψ）…（２）
【００３２】
ここで、第１の配光分布を水平軸方向Ｘの左右に対称とする場合には、上記のように各プリズム領域１２ｐｒの左右の底角ψが等しいことが好ましい。これは、光入射面１１の側から入射する平行光ＰＬの光度が一般的には均一でないため、なるべく近い位置に同じ底角を備える第１のプリズム出射面部１２ｐｅ１と第２のプリズム出射面部１２ｐｅ２を配置することにより、左右の光束Φ１とΦ２の光度の差を低減できるからである。ただし、第１の配光分布に対称性が要求されない場合や他の設計寸法により補償する場合には、上記左右の底角が等しい必要はない。また、異なるプリズム領域の間で相互に等しい底角を有する逆傾斜のプリズム出射面部が形成されていてもよい。
【００３３】
また、図２（ｂ）に示すように、複数のプリズム領域１２ｐｒが連続して形成されている場合において、出射光ＥＬが隣接するプリズム領域１２ｐｒの上部に再入射しないようにするには、上記（１）式を用いると、以下の（３）式が成立する必要がある。ここで、或るプリズム領域１２ｐｒの底角がψｓ、これに隣接するプリズム領域１２ｐｒの底角がψｔとする。また、ｈｓは上記の或るプリズム領域１２ｐｒのプリズム出射面部１２ｐｅの出射光の最も低い出射高さ、Ｈｔは隣接するプリズム領域１２ｐｒの全高である。なお、出射高さｈｓより上の部分がプリズム領域１２ｐｒのプリズム出射面部１２ｐｅの光出射域である。この（３）式は、或るプリズム領域１２ｐｒにおけるプリズム出射面部１２ｐｅの最も低い場所で全反射し、反対側のプリズム出射面部１２ｐｅから屈折して出射する出射光ＥＬが、隣接するプリズム領域１２ｐｒに入射するか否かを示す式である。
ψｔ−ｓｉｎ−１［−ｎ・Ｓｉｎ（３ψｔ）］＜ρ…（３）
ここで、ρは以下の（４）式で表わされる。
ρ＝π／２
−ｔａｎ−１［（Ｈｔ−ｈｓ）／｛Ｈｔｔａｎ（π／２−ψｔ）＋ｈｓｔａｎ（π／２−ψｓ）｝…（４）
ここで、或るプリズム領域１２ｐｒにおいて、出射角φａによってそれぞれ定まる底角ψｓと全高Ｈｓ（又は底辺の幅ｄｓ）が決まれば、上記高さｈｓも定まるので、隣接するプリズム領域１２ｐｒの底角ψｔと全高Ｈｔの一方が決まっていれば、上記（３）式及び（４）式が成立する条件で他方が定まる。したがって、上記の条件（３）及び（４）を用いて、図２（ａ）に示すように、或るプリズム領域１２ｐｒの第１のプリズム出射面部１２ｐｅ１、第２のプリズム出射面部１２ｐｅ２から出射される光束Φ１、Φ２を、隣接するプリズム領域１２ｐｒに入射されないように構成することができる。
【００３４】
本実施形態のように、出射光ＥＬの全てが、各プリズム領域１２ｐｒにおけるプリズム出射面部１２ｐｅで全反射し、反対側のプリズム出射面部１２ｐｅで屈折して出射するように構成することにより、各プリズム領域１２ｐｒの出射光ＥＬが他のプリズム領域１２ｐｒに再入射しにくくなる。これは、全てのプリズム出射面部１２ｐｅの底角ψを、入射光ＩＬが集光されてなる平行光ＰＬに対して全反射条件を満たすように設定することにより、出射光ＥＬが各プリズム領域１２ｐｒの頂点１２ｐｔに近い上部からだけ出射するように構成できるからである。スネルの法則を用いると、ｎＢ＞ｎＡが成立する条件下において、媒質Ｂから媒質Ａに向けて進行する光について、全反射の臨界角θｃは、ｓｉｎθｃ＝ｎＡ／ｎＢ、すなわち、θｃ＝ｓｉｎ−１（ｎＡ／ｎＢ）となる。ここで、ｎＡは空気の屈折率、ｎＢはレンズ１０の屈折率である。したがって、プリズム出射面部１２ｐｅに対する反射角θ（プリズム出射面部１２ｐｅの垂線に対する入射光及び反射光の角度）が上記臨界角θｃより大きくなるように上記底角ψを設定すればよい。
【００３５】
図１及び図２に示すプリズム領域１２ｐｒの配列態様はあくまでも模式的なものであり、実際には、図４（ａ）又は（ｂ）に示すように、水平軸方向Ｘに沿って多数のプリズム領域１２ｐｒが配列されるプリズムアレーが形成される。ここで、図４（ａ）は、複数のプリズム領域１２ｐｒの底部（谷部１２ｐｖ）をベースライン１２Ｐｂ上に揃えた状態となるようにプリズムアレーを形成した例を示し、図４（ｂ）は、複数のプリズム領域１２ｐｒの頂部１２ｐｔを平坦なピークライン１２Ｐｐ上に揃えた状態となるようにプリズムアレーを形成した例を示す。図４（ｃ）は、各プリズム領域１２ｐｒの形状を示す。プリズム領域１２ｐｒは、水平軸方向Ｘに沿った幅ｄ、垂直軸方向Ｙに沿った長さＬ、光軸方向Ｚに沿った高さＨを有する。例えば、第１の光出射範囲１２Ｐの水平軸方向の幅Ｗと垂直軸方向のＬが共に６．８２ｍｍであるとき、幅ｄは１２０．１４〜１５９．７８μｍの範囲で、Ｈは１７６．２８〜１５９．７７μｍの範囲で、徐々に変化させ、出射角φａの分布を形成することにより所定の第１の配光分布を形成する。図示例では、中央のプリズム領域１２ｐｒの底角ψは大きく、水平軸方向Ｘの左右に進むに従ってそこに形成されているプリズム領域１２ｐｒの底角ψが漸次小さくなるように構成される。ただし、これとは異なり、中央のプリズム領域１２ｐｒの底角ψが小さく、左右に進むに従ってそこに形成されるプリズム領域１２ｐｒの底角ψが大きくなるように構成してもよい。
【００３６】
複数のプリズム領域１２ｐｒの配列構造は、本実施形態の場合、配光分布において水平軸方向Ｘの所定の角度範囲で要求される光度分布が実現するように構成されていればよい。例えば、水平軸方向Ｘの特定の角度の光度を実現するためのプリズム（少なくとも１個あればよいが、レンズ表面の位置で考えたときは光軸中心に光軸の左側及び右側に対称に同一形状のプリズムが存在するようにしたときには、プリズムは２個になる）の配設される位置は、均一照度の光がコリメータから入射してくる場合は原理的にはどの位置にあっても良い。このためプリズムの傾斜を漸次一方向に変化させていくようなことは必ずしも必要ではない。しかしながら、実際の入射光の照度分布は均一ではないので、レンズ設計の際には、入射光の照度分布を考慮して配光分布を適宜に修正していく必要があるため、その修正過程での複雑さを取り除くためには、上述のように各プリズム出射面部１２ｐｅの傾斜が中央から周囲に向けて漸次一方向に変化するように構成することが好ましい。このようにすると、上記と同様に中央から周囲に向けて漸次減少していく入射光束の照度分布との関係で、設計時の状況をいたずらに複雑化させることがなくなることから、設計時において配光分布の調整を容易に行うことが可能になる。また、傾斜の変化方向が上記のように中央から周囲に向けた方向では必ずしもなくても、所定の方向に順次に傾斜が一方向に変化していくように構成することにより、第１の配光分布の出射角φａに対応する範囲に寄与するプリズムアレーの範囲を特定しやすくなるため、レンズ設計時の光学調整を容易化することができる。
【００３７】
本実施形態の場合、図３（ａ）に示す後退灯の配光分布に対する最小値ｃｄの分布条件を満たす配光分布ＤＬを実現するために、第１の配光分布Ｄ１と、第２の配光分布Ｄ２とをそれぞれ形成し、これらを合成することにより上記配光分布ＤＬが形成される。ここで、第１の配光分布Ｄ１は、上述のように第１の光出射範囲１２Ｐによって形成し、第２の配光分布Ｄ２は、第２の光出射範囲１２Ｔによって形成する。ここで、図３（ａ）に示すように、第１の配光分布Ｄ１は、第２の配光分布Ｄ２と比べると、水平軸方向Ｘに沿って広角の光度分布を備えたものである。一方、第２の配光分布Ｄ２は、第１の配光分布Ｄ１と比べると、垂直軸方向Ｙに沿って広角の光度分布を備えたものである。このように、第１の配光分布Ｄ１と第２の配光分布Ｄ２は、相互に光軸１０ｘの周りの方位に関する偏り態様が異なるものとなる。本実施形態では、第１の配光分布Ｄ１は、水平軸方向Ｘに沿った方位角（ａｚｉｍｕｔｈ）φａの広範囲に高い光度を配光させた分布態様であり、この水平軸方向Ｘが最も配光範囲が広い主軸方向となっている。一方、第２の配光分布Ｄ２は、第１の配光分布Ｄ１に比べると、垂直軸方向Ｙに沿った極角（ｐｏｌａｒ  ａｎｇｌｅ、仰角、伏角ともいう。）φｐの広範囲に高い光度を配光させた分布態様であり、この垂直軸方向Ｙが副軸方向となっている。そして、第１の配光分布Ｄ１と第２の配光分布Ｄ２を合成したレンズ１０全体による配光分布ＤＬでは、上記の主軸方向（水平軸方向Ｘ）と上記幅軸方向（垂直軸方向Ｙ）を比べると、主軸方向の光度が相対的により広い角度範囲に広がるとともに、方位角φａは同等の角度値では極角φｐよりも高い光度を示すように設定される。
【００３８】
第１の配光分布Ｄ１を形成するためには、少なくとも、第２の配光分布Ｄ２による影響が少ない方位角φａの範囲、例えば、方位角φａが１５〜４５度の角度範囲において、十分な光度をもたらすように、上記第１の光出射範囲１２Ｐ内の複数のプリズム領域１２ｐｒを設計する。方位角φａの上記範囲に出射される出射光ＥＬを形成するために、各プリズム領域１２ｐｒ毎の上記底角ψを少しずつずらしながら設定する。例えば、上記図４に示す例では、上記角度範囲の左右の片側約３０度の領域をそれぞれ５４個のプリズム領域１２ｐｒで、各々のプリズム領域１２ｐｒが平均０．６度の範囲をそれぞれ受け持つように設計している。このとき、各プリズム領域１２ｐｒの或る方位角φａに出射される出射光ＥＬの光度を調整するには、上記底辺の幅ｄの調整（これにより上記高さＨも変わるので、上記平行光ＰＬの入射面積及び出射光ＥＬの出射面積が変わる。）を行えばよい。また、特定のプリズム領域１２ｐｒの底角ψ自体を変更することで、結果として或る方位角φａの光度を変更することもできる。なお、光度の調整範囲が大きすぎることにより対応するプリズム領域１２ｐｒの全高Ｈの変化が大きすぎ、上述の隣接するプリズム領域１２ｐｒとの間の出射光ＥＬの相互の再入射を避けることができなくなる場合には、底角ψや方位角φａの間隔を変更したり、同じ底角ψや方位角φａのプリズム領域１２ｐｒを複数形成することも可能である。
【００３９】
ところで、第１の配光分布Ｄ１を調整する方法の一例として、プリズム領域１２ｐｒのそれぞれのプリズム出射面部１２ｐｅの光出射域の面積を変更することができる。この場合において、上述のように、発光素子１から放出される入射光の照度は、第１の光出射範囲１２Ｐ内の位置によって異なり、例えば、典型的には、入射光ＩＬ（平行光ＰＬ）は、光軸１０ｘから外周側へ離れるほど低下していく照度分布を有する。このような入射光の照度の相違による第１の配光分布への影響を回避する方法としては、複数のプリズム領域１２ｐｒのプリズム出射面部１２ｐｅの光出射域の面積の分布を、第１の光出射範囲１２Ｐ内の照度分布と逆の相関を有する態様で設定することが挙げられる。
【００４０】
また、図３（ａ）を見れば明らかであるように、後退灯の配光分布ＤＬは方位角φａに関して左右対称であるので、各プリズム領域１２ｐｒの左右のプリズム出射面部１２ｐｅも同じ底角ψを備えた対称形状とした。その理由は前述の通りである。さらに、上記第１の光出射範囲１２Ｐ内に入射する入射光ＩＬの照度は基本的に均一ではなく、これをコリメーターによって集光平行化した平行光ＰＬの照度も外周側ほど小さくなるため、このような入射光束の照度分布を前提としつつ、各方位角φａの微小範囲Δφａにおけるプリズム出射面部１２ｐｅの出射光ＥＬの量を調整する必要がある。例えば、出射光ＥＬの不足する方位角φａの微小範囲Δφａにおいては、対応するプリズム領域１２ｐｒの全高Ｈ又は底辺の幅ｄを増大させたり、或いは、対応するプリズム領域１２ｐｒの数を増加させたり（２以上のプリズム領域１２ｐｒを形成したり）する。なお、方位角φａに関して左右対称な配光分布ＤＬを得るためには、第１の光出射範囲１２Ｐ内の複数のプリズム領域１２ｐｒの構造も左右対称に形成することが望ましい。すなわち、図１に模式的に示す第１の光出射範囲１２Ｐでは、中心のプリズム領域１２ｐｒの左右両側に、相互に同じ底角ψをそれぞれ備えたプリズム領域１２ｐｒを同じ順序で左右に配列させていくことが望ましい。このとき、各プリズム領域１２ｐｒの左右のプリズム出射面部１２ｐｅが左右対称でない場合（左右の底角φが異なる場合）には、その左右のプリズム出射面部１２ｐｅのそれぞれの位置も中心のプリズム領域１２ｐｒの左右に対称となるように配置することがより望ましい。
【００４１】
一方、第２の光出射範囲１２Ｔには、複数のレンズ領域１２ｒｓ，１２ｒｓ′が配置され、レンズアレーを構成している。図示例では、複数のレンズ領域１２ｒｓ，１２ｒｓ′は、相互に連続して配置されている。特に、これらは縦横に配列されている点で特徴的である。また、複数のレンズ領域１２ｒｓ，１２ｒｓ′は、それぞれが相互に同等のレンズ面を備えるように構成されている。さらに、複数のレンズ領域１２ｒｓ，１２ｒｓ′は、それぞれがトロイダルレンズ面を有するように構成される。ただし、本発明においては、各レンズ領域１２ｒｓ，１２ｒｓ′はトロイダルレンズ面に限定されず、種々のレンズ面で構成できる。ここで、これらのレンズ領域１２ｒｓ，１２ｒｓ′は、上述のプリズム領域１２ｐｒとは異なり、入射光ＩＬに基づく平行光ＰＬを屈折させるだけで出射し、所定の配光分布を実現する。したがって、第２の光出射範囲１２Ｔの構造は、このような屈折作用による所定の配光分布の形成に資するものであればよく、上述のように相互に同じレンズ面である必要はなく、また、複数のレンズ領域１２ｒｓが連続して配列されている必要もない。
【００４２】
図示例において、第２の光出射範囲１２Ｔでは、相互に同等の配光分布を形成する複数のレンズ領域１２ｒｓが設けられている。また、複数のレンズ領域１２ｒｓは、図示例では、相互に同一のレンズ面形状を備えるとともに相互に同一の領域の平面形状を備えている。ただし、複数のレンズ領域１２ｒｓは、相互に異なるレンズ面形状及び領域の平面形状を備えていてもよい。これは、領域の平面形状が異なる場合（形状そのものが異なる場合だけでなく、相似形であるが大きさが異なる場合も含む。）には、相互に同等の第１の配光分布を形成するためにレンズ面形状も異なるもの（形状そのものが異なる場合だけでなく、相似形であるが大きさが異なる場合も含む。）となることが多いためである。第２の光出射範囲１２Ｔによって形成される第２の配光分布Ｄ２の例としては、図３（ｂ）に示すように、制動灯の配光分布を充足するような光出射特性を示すレンズ面が挙げられる。以下、このようなレンズ面を備えたレンズ領域１２ｒｓを形成する場合について説明する。
【００４３】
上記のレンズ領域１２ｒｓ及び部分レンズ領域１２ｒｓ′は、第１の光出射範囲１２Ｐの周囲において平面充填性を満たす態様で、言い換えれば隙間なく、配列されている。図示例では、正方形状のレンズ領域１２ｒｓが縦横にマトリクス状に隙間なく配列されている。光出射面１２において、第２の光出射範囲１２Ｔでは、内周側に上記レンズ領域１２ｒｓが配列され、外周側に部分レンズ領域１２ｒｓ′が配列されている。ここで、部分レンズ領域１２ｒｓ′とは、所定の配列態様でレンズ領域１２ｒｓとともに配列されたときにレンズ１０のレンズ面範囲の外縁によってレンズ領域１２ｒｓの平面範囲の外周側の一部分が除去された形状を備える領域をいう。図示例では、レンズ１０のレンズ面範囲は、光軸１０ｘを中心とする円形となっている。ここで、レンズ領域１２ｒｓの領域の平面形状は正方形である必要はなく、長方形であってもよく、他の形状であっても構わない。ただし、上記領域の平面形状は平面充填性を有する形状であることが好ましい。また、複数のレンズ領域１２ｒｓ（領域の平面形状）の間やそれらの外周側に上記レンズ領域１２ｒｓや部分レンズ領域１２ｒｓ′のレンズ面（図示例ではトロイダル面）のない領域が存在しても構わない。
【００４４】
上記レンズ領域１２ｒｓのレンズ面形状は、レンズ１０の内部に入射した光が平行光ＰＬとなることを前提に、平行光ＰＬを所要の配光分布を満たすように定められたトロイダル面（トーリック面）となっている。図６には、本実施形態において定めるトロイダル面の形状を模式的に示す。ここで、一般にトロイダル面とは、図６に示すように、ｘ軸方向（水平軸方向、左右方向、或いは、方位角方向）と、ｙ軸方向（垂直軸方向、上下方向、或いは、仰俯角）の光軸とレンズ面との交点における曲率が異なる面を言う。本発明において、トロイダル面とは、水平軸方向の曲線形状と垂直軸方向の曲線形状によって定まるレンズ面であって、水平軸方向の曲線形状（レンズ光軸とレンズ面の交点における曲率、コーニック係数、非線形定数、回転半径）と垂直軸方向の曲線形状（レンズ光軸とレンズ面の交点における曲率、コーニック係数、非線形定数、回転半径）の少なくとも一部が一致しないものをいう。本実施形態では、ｘ軸方向に沿った面形状（曲線形状）は、そのサグ量がコーニック係数ｋa、光軸１０ｘ上の曲率ｃa、２次、４次、６次及び８次の非線形定数αa１〜αa４によって定められる非球面状（非円弧状）であり、ｙ軸方向に沿った面形状（曲線形状）は、回転半径Ｒｐの円筒に沿った球面状（円弧状）としている。また、ｚ軸方向を光の入射方向（光軸１０ｘと平行な方向）に一致させると、トロイダル面は以下の数１の式により表わされる。ここで、図６の点Ｏの座標を｛０，０，０｝とし、点Ｐの座標を｛ｘｐ，０，ｚｐ｝、点Ｓの座標を｛０，ｙｓ，ｚｓ｝、点Ｔの座標を｛ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ｝とすると、ｘｐ＝ｘｔ、ｙｓ＝ｙｔとなる。このとき、上記点Ｏを基準とし、この点Ｏに対してｘ軸に沿った方向にある点Ｐのｚ座標であるサグ量ｚｐ(ｘ)は以下の数２の式により表わされる。
【００４５】
【数１】
2020035706.tif 000003
【００４６】
【数２】
2020035706.tif 000004
【００４７】
ここで、上記レンズ領域１２ｒｓの領域の平面形状を一辺２Ｌの正方形とすると、当該領域のサグ量によって決まるトロイダル面の厚みＬｔは、以下の数３の式によって表わされる。ここで、点Ｐのｚ座標であるｚｐは数４の式により表わされる。
【００４８】
【数３】
2020035706.tif 000005
【００４９】
【数４】
2020035706.tif 000006
【００５０】
次に、光軸１０ｘに平行な光ＰＬがトロイダル面上の或る点（ｘ，ｙ）に入射した場合には、この点（ｘ，ｙ）からの出射光ＥＬの方位角φa及び極角φｐと出射光ＥＬの方向余弦｛ｌ，ｍ，ｎ｝との関係は以下の数５及び数６の式になる。
【００５１】
【数５】
2020035706.tif 000007
【００５２】
【数６】
2020035706.tif 000008
【００５３】
ここで、ｎｉnを、入射光側の屈折率、すなわち、図示例ではレンズ１０の屈折率とし、出射側の屈折率（空気）を１とすると、トロイダル面ｆ（ｘ，ｙ）のｘ方向とｙ方向の偏微分ｆｘ（ｘ、ｙ）とｆｙ（ｘ，ｙ）はそれぞれ以下の数７、数８で示されるものとする。ただし、数７中の偏微分項は数９で表わされる。このとき、以下の数１０、数１１が成立する。
【００５４】
【数７】
2020035706.tif 000009
【００５５】
【数８】
2020035706.tif 000010
【００５６】
【数９】
2020035706.tif 000011
【００５７】
【数１０】
2020035706.tif 000012
【００５８】
【数１１】
2020035706.tif 000013
【００５９】
図７に示すように、レンズ領域１２ｒｓのトロイダル面ＳＵにおいて、光軸１０ｘに直交する断面の微小領域（一辺の長さｄl）内に入射してなる均等密度の入射光束Φｄl２（入射光ＩＬ）が平行光ＰＬとなった場合に、この平行光ＰＬが上記微小領域に対応する単位出射領域Ｓｕ内のレンズ面によって屈折し、出射光ＥＬが形成されるとする。この出射光ＥＬは、距離Ｄだけ離れたデテクタ面ＤＴ上の条件設定範囲ＳＤに入射する。このとき、入射光束Φｄl２は、上記トロイダル面ＳＵの単位出射領域Ｓｕ内において、それぞれの方位に向けて出射する。ここで、入射光束内の中心光線は、トロイダル面ＳＵ上の上記単位出射領域Ｓｕの中央点（出射位置）Ｐｕ（ｘｕ，ｙｕ）から出射する。そして、上記単位出射領域Ｓｕ内にＮ個（ｉ＝１〜Ｎ）の位置Ｐ１〜Ｐ１６（Ｎ＝１６の場合の例を図７（ａ）に示してある。）を設定し、それぞれの位置に入射した平行光ＰＬがどの方位に向かうかを検討する。ここで、図７（ｂ）の中央の上の図において、紙面は水平断面とし、左右にあるトロイダル面ＳＵと条件設定範囲ＳＤの平面図は、光軸と直交する平面形状を示すものとする。
【００６０】
レンズ領域１２ｒｓに入射した平行光は、上記単位出射領域Ｓｕ内のレンズ面で屈折され出射した後、デテクタ面ＤＴ上の条件設定範囲ＳＤ内の単位入射領域Ｓｄに入射する。このとき、中心光線は、単位入射領域Ｓｄの中央点（入射位置）Ｐｄ（ｘｄ，ｙｄ）に入射する。この単位入射領域Ｓｄは図７（ｃ）又は（ｄ）で示されている。ここで、図７（ｃ）は光学系に収差やスキュー等がないとした場合、図７（ｄ）は収差やスキュー等を考慮した場合を示す。単位出射領域Ｓｕと、これに対応する単位入射領域Ｓｄにおいては、上記Ｎを大きくするほど正確な値を求めることができる。しかし、簡略化のためにＮ＝４（ｉ＝１〜４）、すなわち、上記単位入射領域Ｓｕ内の四点、Ｐ３（ｘｕ＋０．５ｄｌ，ｙｕ）、Ｐ１１（ｘｕ−０．５ｄｌ，ｙｕ）、Ｐ１５（ｘｕ，ｙｕ＋０．５ｄｌ）、Ｐ７（ｘｕ，ｙｕ−０．５ｄｌ）を考える。このとき、０．５ｄｌ＝ｄｘｕとすれば、上記入射光束Φｄl２のうち、方向余弦｛ｌ，ｍ，ｎ｝あるいは方位角φaｕと極角φｐｕで定められる方位へ出射する光の単位立体角当りの光束（光度）は、以下の数１２の式で表わされる。ここで、数１２の式の二行目及び三行目は形状に関する項であり、四行目は角度に関する項である。ここで、φaｕとφｐｕは、それぞれ、点Ｐｕ（ｘｕ，ｙｕ）における出射光の方位角φaと極角φｐである。
【００６１】
【数１２】
2020035706.tif 000014
【００６２】
上記式をさらに一般化するために、図９に示すように、水平軸方向ｘの幅２Ｌaと垂直軸方向ｙの幅２Ｌｐのトロイダル面ＳＵを備えるレンズ領域１２ｒｓを考える。このトロイダル面ＳＵ内の特定の点Ｐｕの位置座標（ｘｕ，ｙｕ）に配置された上記の水平軸方向ｘの幅２ｄｘと垂直軸方向ｙの幅２ｄｙの微小な単位出射領域Ｓｕを基準にすると、この単位出射領域Ｓｕから方位角φaｕ、極角φｐｕへ向けて出射する光の光度Ｉｕは以下の数１３に示す式となる。ここで、上記数１２の式との関係において、Φｄｌ２＝Φ×２ｄｘｕ×２ｄｙｕとしている。
【００６３】
【数１３】
2020035706.tif 000015
【００６４】
上記数１３の式は、一つのレンズ領域１２ｒｓにおいて、均等密度の平行光束が入射したトロイダル面ＳＵから出射した光がデテクタ面ＤＴ上の条件設定範囲ＳＤ内に投影される場合について、トロイダル面ＳＵ上の点Ｐｕ（ｘｕ，ｙｕ）を中心に配置される単位出射領域Ｓｕから方位｛φaｕ、φｐｕ｝へ向かい、点Ｐｄ（ｘｄ、ｙｄ）を中心とする単位入射領域Ｓｄに入射するときの光の光度Ｉｕを示す。このとき、トロイダル面ＳＵ内の点（出射位置）Ｐｕ（ｘｕ，ｙｕ）と、条件設定範囲ＳＤ内の点（入射位置）Ｐｄ（ｘｄ，ｙｄ）は１対１に対応していると考える。
【００６５】
図８には、車両用灯具の一例としての制動灯の配光分布を示す配光表を示す。この配光表は、制動灯の技術基準（道路運送車両の保安基準の細目を定める告示［２０１７.１０．１０］別添７０）において、別紙２として添付されており、この配光表を用いた光度条件は、上記技術基準の４．２（１）に記載されている。すなわち、当該配光表を用いた光度条件は、上記配光表内に示される光度基準値（１００、９０、７０、３５、２０、１０）が記載された方位角度において、光度を、上記技術基準の４．１に定められた最低光度値に上記光度基準値を乗算した値以上とするというものである。この条件を以下単に基本条件という。この配光表の光度基準値が記載された方位角度は、デテクタ面ＤＴ上のサンプリングポイントＳ１〜Ｓ７に相当する。ここで、上記光度基準値は配光表内の１７か所に示されているが、それらの値は、水平軸方向ｘと垂直軸方向ｙの双方において他方の軸（ｙ軸及びｘ軸）に対してそれぞれ対称の位置に対称の数値を示すため、トロイダル面ＳＵのレンズ面形状もまた水平軸方向ｘと垂直軸方向ｙの双方において他方の軸に対して対称であるとする。これにより、基本条件としては、第一象限のサンプリングポイントＳ１〜Ｓ７のみを条件として用いればよいことになる。そして、上記数値が決められている矩形範囲を上記単位入射領域Ｓｄの集合によって形成される条件設定範囲ＳＤとする。ここで、条件設定範囲ＳＤは、図示例のように、例えば、上記最外周のサンプリングポイントＳ６とＳ７上を通過する縦辺と横辺を有する矩形状に設定することができる。このとき、条件設定範囲ＳＤは、光軸１０ｘを中心として、水平軸方向と垂直軸方向のそれぞれに対称な領域（広がり）を備える。
【００６６】
一方、図９は、前述のように、上記基本条件を満たす配光分布に対応するトロイダル面ＳＵの例を示す。ここで、レンズ領域１２ｒｓの水平軸方向ｘの幅２Ｌaと、垂直軸方向ｙの幅２Ｌｐは、図示例ではＬa≠Ｌｐとし、当該領域出射範囲ＳＵの形状を長方形としている。ただし、一般的には、図７に示すようにＬa＝Ｌｐである正方形であっても構わない。このとき、トロイダル面ＳＵ上には、上記条件設定範囲ＳＤ上のサンプリングポイントＳ１〜Ｓ７に対応する対応ポイントＴ１〜Ｔ７が存在すると考える。ここで、サンプリングポイントＳ１〜Ｓ７の座標を（ｘｄ１、ｙｄ１）〜（ｘｄ７，ｙｄ７）とし、対応ポイントＴ１〜Ｔ７の座標を（ｘｕ１、ｙｕ１）〜（ｘｕ７，ｙｕ７）とする。この場合、上記平行光ＰＬが対応ポイントＴ１〜Ｔ７の各点で屈折して所定の方位に出射した光が上記サンプリングポイントＳ１〜Ｓ７の各点にそれぞれ入射すると仮定する。なお、本実施形態では、対応ポイントＴ１（０，０）から出射した光は方位角と極角がいずれも０の光軸方向（中心軸に沿って）に進行し、サンプリングポイントＳ１（０，０）に入射すると設定する。
【００６７】
図８の配光表に示されるサンプリングポイントＳ１〜Ｓ７の条件を満たす配光分布を上記デテクタ面ＤＴ上の条件設定範囲ＳＤ内で実現するように、図９のトロイダル面ＳＵを設計するために必要な定数と、その設定例を以下の表１に示す。ここで、レンズ１０の外形寸法ＢＬは、ＢＬ＝１５ｍｍとしている。
【００６８】
【表１】
2020035706.tif 000016
【００６９】
また、未知数であるレンズの形状パラメータを表２に示す。ここで、トロイダル面ＳＵにおいて水平軸方向ｘに沿った曲線形状を、曲率ｃa、コーニック係数ｋa、非線形定数αa１〜αa６により定まる非円弧状としている。さらに、垂直軸方向ｙに沿った曲線形状は上記曲率半径Ｒｐのみで定まる円弧状としている。ここで、対応ポイントＴ１〜Ｔ７の座標については、上記条件設定範囲ＳＤの矩形範囲の外縁上にサンプリングポイントＳ６，Ｓ７が配置されるのに対応させて、トロイダル面ＳＵの矩形範囲の外縁上に対応ポイントＴ６，Ｔ７が配置される（ｙｕ６＝Ｌa、ｘｕ７＝Ｌｐ）とした。
【００７０】
【表２】
2020035706.tif 000017
【００７１】
サンプリングポイントＳ２〜Ｓ７に対応する方位（φa２、φｐ２）〜（φa７、φp７）の値、並びに、サンプリングポイントＳ２〜Ｓ７の光度とサンプリングポイントＳ１の光度（これは上記数１３の式により得られる。）の比率Ｉｕ２／Ｉｕ１〜Ｉｕ７／Ｉｕ１を、それぞれ、上記配光表の光度基準値に対応したものとすることにより、トロイダル面ＳＵを求めるための条件を示す方程式を以下の表３に示す。これらの１８個の方程式を解くことにより、表２に示す１８個の未知数を求めることができる。これにより、レンズ領域１２ｒｓのトロイダル面ＳＵを決定することができる。このようにして設計されたトロイダル面ＳＵは、光軸１０ｘに沿った平行光ＰＬを屈折させて、上記基本条件を充足する所要の配光分布を実現する。
【００７２】
なお、上記基本条件を充足する構成としては、上記光度の比率Ｉｕ２／Ｉｕ１〜Ｉｕ７／Ｉｕ１を上記のように光度基準値間の比率と同じにする場合に限らず、これとは異なる比率とした種々の場合が考えられる。したがって、本発明においては、上記光度の比率（すなわち、本実施形態では表３に示す方程式３、６、９、１２、１５、１８の値）が実質的に同等と考えられれば、相互に同等の配光分布を有することとする。また、上記基本条件には、最大光度の条件（道路運送車両の保安基準の細目を定める告示［２０７．１０．１０］別添７０（制動灯の技術基準の４．配光特性の４．１．、４．２．二）や条件設定範囲ＳＤ内においてむらがないという条件（別紙２の配光特性測定方法の１．測定方法の１．５．）も含まれるため、上記光度の比率を上記光度基準値間の比率に一致させることが基本条件を満たすための設計を最も容易化するものと考えられる。
【００７３】
【表３】
2020035706.tif 000018
【００７４】
なお、これらの方程式は非線形連立方程式であるが、その解は数値計算により求めることができる。レンズの形状が互いに相似形であるものは同じ配光分布になるので上記非線形連立方程式の解は非常に多い。しかしサンプリングポイントＳ７に対応する対応ポイントＴ７のｙ座標、及びサンプリングポイントＳ６に対応する対応ポイントＴ６のｘ座標は、それぞれの仰角、方位角から考えてレンズの外縁に近い位置に存在するはずである。従ってこれらの座標をレンズ領域１２ｒｓの領域平面形状の縦横の寸法（一般にこのレンズ外形は仕様として与えられる）近傍に限定して解を求めることにより、多数の解の中から、外形寸法仕様をクリアしかつ配光分布に関する技術規準をクリアした解を選ぶことができる。これによりレンズ設計が可能になる。なお、このレンズ形状決定の方法は従来の何百万本の光線をトレイスして配光分布を確認し最適設計をおこないレンズ形状を決定する方法より高速にレンズ形状を決定できる。
【００７５】
本実施形態では、複数のレンズ領域１２ｒｓの全てに、上述のように設計したトロイダル面ＳＵのレンズ面形状を採用している。したがって、全てのレンズ領域１２ｒｓは、相互に同一のレンズ面形状及び領域の平面形状を備える。この場合には、複数のレンズ領域１２ｒｓの配光分布は、それぞれ、各領域の平面形状の中心軸を中心とした同等の配光分布を備える。すなわち、所定の投影面（デテクタ面ＤＴ）上においては、各配光分布は、厳密には、各領域の平面形状の中心軸の位置関係だけずれた分布を形成する。しかしながら、隣接するレンズ領域１２ｒｓの上記中心軸の間の距離（１．３５ｍｍ）は、レンズ１０とデテクタ面ＤＴとの間の上記距離Ｄ（＝３０００ｍｍ）に比べて極めて小さいため、当該中心軸の間の距離分のずれはほとんど影響しない。
【００７６】
なお、複数のレンズ領域１２ｒｓの間において、相互に同等の基本条件で同等の配光分布を形成するように設計する場合でも、特に、相互に同一の領域の平面形状を備えるように設計するときであっても、複数のレンズ領域１２ｒｓのレンズ面形状が相互に完全に同一ではないこともある。例えば、複数のレンズ領域１２ｒｓのそれぞれの同等の配光分布が、光軸１０ｘを相互に一致する共通の中心とする配光分布として設計される場合である。この場合には、上記レンズアレーの内周側に配置されるレンズ領域１２ｒｓ（つまり、光軸１０ｘに近い位置に配置される場合）であっても、光軸１０ｘから離れたところに配置されるレンズ領域１２ｒｓであっても、その配光分布はいずれも光軸を中心とする同等の配光分布となるように設計される。この場合には、結果として、レンズ領域１２ｒｓは、光軸１０ｘからの距離や方位に応じて相互に異なるレンズ面形状を備えることになる。この場合には、光軸１０ｘからの距離と方位の少なくとも一方が異なるレンズ領域１２ｒｓ同士では、それぞれ別々にトロイダル面の設計を行う必要がある。
【００７７】
また、トロイダル面ＳＵを設計する場合には、光軸を基準とする入射角θに依存する光束の密度分布を考慮することが望ましい。点状光源からの放出光分布をランバーシアン分布であると仮定し、放出光の全光束をΦｔｏｔすると、光軸上の前記コリメーターの焦点位置にある点状光源から光軸上の距離ｄｆにある入射面１１上の一辺ｄｌの微小矩形面積を通過する光束Ｆは、以下の数１４で示される。このように光束密度が入射角θについてｃｏｓθの４乗に比例することを前提として、レンズアレー内の各レンズ領域１２ｒｓにあるトロイダル面ＳＵを設計することにより、より確実に高精度の配光分布を実現できる。すなわち、上記数１３のΦをｃｏｓθの４乗に比例する変数として扱う。具体的には、例えば、対応ポイントＴ１の座標位置（（ｘ１，ｙ１）、各領域の中心軸上の位置）を基準とする各対応ポイントＴ２〜Ｔ７の座標位置（ｘ２，ｙ２）〜（ｘ７，ｙ７）における光度の比率を示す方程式（上記表３の方程式３、６、９、１２、１５，１８）において、当該光度の比率を、対応ポイントＴ１の座標位置（ｘ１，ｙ１）と各対応ポイントＴ２〜Ｔ７の座標位置（ｘ２，ｙ２）〜（ｘ７，ｙ７）のそれぞれの入射角θの４乗の比率を上記光度の比率に乗算した式に置換してもよい。このことは、前述の実施形態のような各レンズ領域１２ｒｓによって形成される個々の配光分布が各領域の中心軸（対応ポイントＴ１）を分布中心の基準として設計される場合と、個々の配光分布がレンズの光軸１０ｘを共通の分布中心となるように設計される場合とのいずれにおいても、同様である。いずれの場合でも、各レンズ領域１２ｒｓ内の入射角θに応じた各領域内の光束の密度分布を設定し、この分布を前提としてトロイダル面ＳＵを設計する。
【００７８】
【数１４】
2020035706.tif 000019
【００７９】
さらに、入射面１１のコリメーター構造は、表１に示すように、トロイダル面ＳＵの領域の平面形状が一辺１．３５ｍｍの正方形であることから、各レンズ領域１２ｒｓの領域面積に対する光学的影響を考慮して、コリメーター構造の上記入射面領域１１Ａ及び入射面領域１１Ｂのフレネル構造の周期を設定している。特に、屈折型フレネル構造を有する入射面領域１１Ａでは上記周期は４００μｍ、反射型フレネル構造を有する入射面領域１１Ｂでは１００μｍとしている。これは、フレネル構造の周期を大きくすると、入射面部１１ａ，１１ｂの間の段差面では離型を可能にするための抜き勾配を大きく設ける必要が生ずるために、段差面の近傍で生ずる入射光ＩＬが入射しない範囲が大きくなるとともに、大きくなったフレネル構造の周期内における集光方向のずれが大きくなることから周期方向の位置により平行光ＰＬの平行度が変化し、特に平行度が悪化する。したがって、各レンズ領域１２ｒｓに対する上記理由による配光分布への影響を低減する上でも、或る程度フレネル構造の周期をレンズ領域１２ｒｓの領域寸法に対して小さくする必要がある。一方、フレネル構造の周期を小さくしすぎると、製造が困難になるとともに、レンズ面精度も低下しやすくなり、集光精度や集光効率が悪化する。このために、上記周期ＦＬは、入射面領域１１Ａにおいて、レンズ領域１２ｒｓの寸法（直径や一辺の長さ）ＳＬ（本実施形態ではＳＬ＝１．３５ｍｍ）に対して、１／２〜１／１５の範囲内であることが好ましく、１／３〜１／１０の範囲内であることが望ましい。また、上記周期ＦＬは、入射面領域１１Ｂにおいて、上記寸法ＳＬに対して、１／５〜１／２０の範囲内であることが好ましく、１／１０〜１／１５の範囲内であることが望ましい。
【００８０】
さらに、出射面１２のレンズ領域１２ｒｓ及び部分レンズ領域１２ｒｓ′が配列したレンズアレーの寸法（直径や一辺の長さ）ＡＬ（本実施形態ではＡＬ＝１４．３ｍｍ）に対して、レンズ領域１２ｒｓの寸法（直径や一辺の長さ）ＳＬ（本実施形態ではＳＬ＝１．３５ｍｍ）は、１／３〜１／３０の範囲内であることが好ましく、１／５〜１／２０の範囲内であることが望ましく、特に、１／７〜１／１５の範囲内であることが望ましい。これは、寸法ＳＬが寸法ＡＬに対して小さくなりすぎると、レンズ面精度や配光効率が低下することによりレンズアレー構造による配光分布の誤差が大きくなるからである。逆に、寸法ＳＬが寸法ＡＬに対して大きくなりすぎると、レンズアレー構造としたときの薄型化の効果が得られにくくなり、後述するランプ不良率の改善効果が減殺される。また、上記の範囲であれば、トロイダル面ＳＵのサイズが相対的に小さいことから、コリメーター構造が透視されることにより、目立ったり外観の均質性が低下したりすることもない。
【００８１】
なお、上記のトロイダル面の設計方法は一例であり、上記のように所望の配光分布を実現することのできる各種の方法で上記レンズ領域１２ｒｓの光学面を設計することができる。この場合、当該トロイダル面ＳＵへ入射する光が平行光であるため、いずれの方法を採用した場合でも、容易に設計することができる。上記のようにトロイダル面ＳＵを設計し、図１に示すように、レンズ１０において、相互に同等の配光分布を形成するトロイダル面ＳＵを備える複数のレンズ領域１２ｒｓを配列させると、レンズ１０の直径ＢＬが上記距離Ｄより十分に小さければ、単一の大きなトロイダル面ＳＵが形成されたレンズと同等の配光分布を実現することができる。
【００８２】
以上のように、本実施形態では、第１の光出射範囲１２Ｐに複数のプリズム領域１２ｐｒを連続して配置することにより、光の利用効率を確保しつつ、特定の主軸方向に広角の光度分布を呈する第１の配光分布Ｄ１を容易に形成することができるとともに、第２の光出射範囲１２Ｔに設けた複数のレンズ領域１２ｒｓによって上記第１の配光分布Ｄ１とは光軸１０ｘの周りの方位に関して異なる偏り態様を呈する第２の配光分布Ｄ２を形成することができる。したがって、上記第１の配光分布Ｄ１と第２の配光分布Ｄ２を合成することにより、車両用灯具として要求される配光分布ＤＬを容易に実現することができる。特に、偏りの大きな配光分布や極端な光度条件にも容易に対応することが可能になる。この場合において、第１の配光分布Ｄ１においては上記主軸方向（水平軸方向Ｘ）に広角の光度分布を呈するとともに、上記第２の配光分布Ｄ２においては、第１の配光分布Ｄ１と比べて、上記主軸方向と交差する上記副軸方向（垂直軸方向Ｙ）に広角の光度分布を呈する。このような相互に交差する異なる方位に偏りを呈する二つの配光分布Ｄ１とＤ２を合成することにより、レンズ構造の複雑化を抑制しつつ、要求される配光分布ＤＬを柔軟に実現できる。
【００８３】
特に、第１実施形態では、第１の光出射範囲１２Ｐを光出射面１２の中央に配置し、その周囲に第２の光出射範囲１２Ｔを配置することにより、コリメーターＣＯＬの有無に限らず、光源の照度の高い領域に複数のプリズム領域１２ｐｒを配置することができるので、プリズムアレーによる第１の配光分布Ｄ１の光度を高めることができる。
【００８４】
次に、図１１を参照して、本発明に係る第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、第１実施形態で説明した第１の光出射範囲１２Ｐに設けた複数のプリズム領域１２ｐｒを、垂直軸方向Ｙに沿って傾斜させた状態で形成した。ここで、本実施形態の第１の光出射範囲１２Ｐは、図４（ａ）に示すベースライン１２Ｐｂに沿ってプリズムアレーを形成する場合には、第１実施形態の第１の光出射範囲１２Ｐ（図示点線）に対して上記ベースライン１２Ｐｂを傾斜角θｙだけ傾斜させて形成する。また、図４（ｂ）に示すピークライン１２Ｐｐに沿ってプリズムアレーを形成する場合には、第１実施形態の第１の光出射範囲１２Ｐ（図示点線）に対して上記ピークライン１２Ｐｐを傾斜角θｙだけ傾斜させて形成する。このように構成することにより、第１の光出射範囲１２Ｐから出射される光束Φは、光軸１０ｘに対して垂直軸方向Ｙに傾斜角φｙだけ傾斜する方向に向かう。ここで、光束Φの光軸１０ｘに対する傾斜角をφｙとすると、φｙ＝θｙ−ｓｉｎ−１［ｎｓｉｎθｙ］となる。このようにして光束Φの傾斜角φｙを適宜に設定することにより、第１の配光分布Ｄ１を垂直軸方向Ｙに容易に調整することができるので、第２の配光分布Ｄ２との合成により生成される配光分布ＤＬの垂直軸方向Ｙの分布態様をさらに容易に設定可能となる。
【００８５】
次に、図１２を参照して、本発明に係る第３実施形態について説明する。この第３実施形態では、図１２に示すように、第１の光出射範囲１２Ｐにおいて、相互に同等形状を備える二つのプリズム領域１２ｐｒの間の谷部１２ｐｖが垂直軸方向Ｙに沿って伸びる谷線が中心の光軸１０ｘを通過するように構成される。そして、第１の光出射範囲１２Ｐでは、複数のプリズム領域１２ｐｒが上記谷線を中心に水平軸方向Ｘの左右に対称に形成される。このように構成することにより、主軸方向に対称な第１の配光分布Ｄ１を形成する場合において、同じ底角ψを備える（したがって同じ光出射角φａを備える）プリズム領域１２ｐｒが左右対称の位置に配置されることから、プリズム領域１２ｐｒのパラメータを変更したときの配光分布の変化が予想し易くなるため、配光分布の調整を容易に行うことができる。この場合に、第１実施形態と同様に、底角ψ若しくは光出射角φａを中心側から周辺側へ向けて漸次一方向に変化させることにより、さらに配光分布の設計が容易化される。
【００８６】
次に、図１３を参照して、本発明に係る第４実施形態について説明する。この第４実施形態では、図１３に示すように、第１の光出射範囲として、二つの第１の光出射範囲１２ＰＲと１２ＰＬとが設けられる。ここで、第１の光出射範囲１２ＰＲと１２ＰＬとの間には、第２の光出射範囲１２Ｔの一部、すなわち、上述のレンズ領域１２ｒｓが配置されている。本実施形態では、第１の光出射範囲１２ＰＲと１２ＰＬとは、光軸１０ｘを中心に主軸方向（水平軸方向Ｘ）に左右対称の範囲にそれぞれ形成される。また、第１の光出射範囲１２ＰＲと１２ＰＬとは、光軸１０ｘを中心に主軸方向（水平軸方向Ｘ）において左右対称の構造となるように形成される。さらに、第１の光出射範囲１２ＰＲと１２ＰＬとは、光出射面１２の中央部の両側にそれぞれ配置される。このように構成すると、左右対称に近い配光分布ＤＬを形成する場合に上述の理由により有利になるとともに、光出射面１２の中央部に第１の光出射範囲が配置されないことから、配光分布ＤＬにおいて、方位角φａの方向（水平軸方向Ｘ）と極角φｐの方向（垂直軸方向Ｙ）のいずれの分布態様においても中央部の光度を相対的に大きくしやすくなる。なお、第１の光出射範囲１２Ｐの対称性による設計の容易化等については、上記第３実施形態と同様である。
【００８７】
次に、図１４を参照して、本発明に係る第５実施形態について説明する。この第５実施形態では、図１４に示すように、上記第３実施形態と同様の平面配置となる第１の光出射範囲１２Ｐを、副軸方向（垂直軸方向Ｙ）に沿って凸曲面状（例えば円弧状）に構成したものである。すなわち、複数のプリズム領域１２ｐｒを、それぞれ垂直軸方向Ｙに沿って伸びる頂部１２ｐｔと谷部１２ｐｖがいずれも凸曲線（例えば円弧）になるように、それぞれ形成している。これにより、第１の光出射範囲１２Ｐにおける極角φｐに対する出射角の分布態様を強調し、副軸方向（垂直軸方向Ｙ）に沿った光度分布の偏りを強く形成することができる。このため、特に、全体の配光分布ＤＬにおいて、第１の配光分布Ｄ１の影響が大きい主軸方向（水平軸方向Ｘ）の高角度領域（例えば、１５°≦φａ≦４５°）における副軸方向（垂直軸方向Ｙ）の光度分布を調整する場合に有効である。また、上記凸曲線状の曲率の態様は、各プリズム領域１２ｐｒ毎に設定してもよく、このようにすると、さらに第１の配光分布Ｄ１を詳細に設定できる。なお、このような副軸方向に沿った凸曲線状の構成は、本実施形態のような第３実施形態に基づくものに限らず、第１実施形態、第２実施形態、及び、第４実施形態にも同様に採用することができる。
【００８８】
次に、図１５を参照して、本発明に係る第６実施形態について説明する。この第６実施形態では、図１５に示すように、上記第３実施形態と同様の平面配置となる第１の光出射範囲１２Ｐを、副軸方向（垂直軸方向Ｙ）に沿って山状（例えば二等辺三角形状）に構成したものである。すなわち、複数のプリズム領域１２ｐｒを、それぞれ垂直軸方向Ｙに沿って伸びる頂部１２ｐｔと谷部１２ｐｖがいずれも山形の斜面状（例えば二等辺三角形の斜面）になるように、それぞれ形成している。このとき、山形の斜面の傾斜角θｐを適宜に調整することにより、プリズム出射面部１２ｐｅの副軸方向（垂直軸方向Ｙ）に向かう傾斜が設定されるので、第１の光出射範囲１２Ｐにおける極角φｐに対する出射角の分布態様を強調し、副軸方向（垂直軸方向Ｙ）に沿った光度分布の偏りを強く形成することができる。このため、特に、全体の配光分布ＤＬにおいて、第１の配光分布Ｄ１の影響が大きい主軸方向（水平軸方向Ｘ）の高角度領域（例えば、１５°≦φａ≦４５°）における副軸方向（垂直軸方向Ｙ）の光度分布を調整する場合に有効である。また、プリズム出射面部１２ｐｅの主軸方向（水平軸方向Ｘ）への傾斜角θａと、上記副軸方向（垂直軸方向Ｙ）への傾斜角θｐとを各プリズム領域１２ｐｒ毎に適宜に設定することにより、所定の方位角φａ及び極角φｐを備えた出射光ＥＬの主軸方向及び副軸方向の光度の分布態様をさらに詳細に設定できる。なお、このような副軸方向に沿った山形状の構成は、本実施形態のような第３実施形態に基づくものに限らず、第１実施形態、第２実施形態、及び、第４実施形態にも同様に採用することができる。
【００８９】
次に、図１６を参照して、本発明に係る第７実施形態について説明する。この第７実施形態では、図１６に示すように、光出射面１２上において、上記各実施形態の第２の光出射範囲１２Ｔとは異なる第２の光出射範囲１２Ｓを備えている。この第２の光出射範囲１２Ｓは、上記とは異なり、複数のレンズ領域を備えたレンズアレー構造を備えていない一体のレンズ面（トロイダル面を含む。）を備えたものとすることができる。また、図示のように、平坦なレンズ面とすることも排除しない。さらに、複数のレンズ領域を備えたレンズアレー構造を備えつつ、各レンズ領域が上述のようなトロイダル面ではなく、単なる凸レンズ状（球面レンズ状）、或いは、トロイダル面以外の非球面レンズ状のレンズ面を備えたものとすることもできる。
【００９０】
この第７実施形態では、光入射面１１が主軸方向（水平軸方向Ｘ）に沿ってフレネルレンズ構造を有するものの、副軸方向（垂直軸方向Ｙ）に沿った方向には平坦に構成された、一方向フレネルレンズ構造１１ａ′、１１ｂ′及び１１ｃ′を備える。すなわち、一方向フレネルレンズ構造１１ａ′、１１ｂ′及び１１ｃ′は、図１６（ｂ）の断面構造を紙面と垂直にそのまま延伸させた面形状を備える。この面形状は、図１６（ａ）の光出射面１２の平面図において点線で示している。このような一方向フレネルレンズ構造により、水平軸方向Ｘに拡がった入射光ＩＬの水平軸方向Ｘの進行方向成分については光軸１０ｘに平行化されるが、垂直軸方向Ｙの進行方向成分については平行化されない。また、垂直軸方向Ｙに拡がった入射光ＩＬの垂直軸方向Ｙの進行方向成分については平行化されず、水平軸方向Ｘの進行方向成分についてのみ平行化される。したがって、第２の光出射範囲１２Ｓから出射される出射光ＥＬ２は、主軸方向（水平軸方向Ｘ）には平行化されるが、副軸方向（垂直軸方向Ｙ）には拡がった図示の第２の配光分布Ｄ１１を呈する。なお、図示二点鎖線で示す第２の配光分布Ｄ１１は、軸線１０ｘの周りの方位に関する偏り態様を楕円形状で模式的に示したものである。
【００９１】
一方、第１の光出射範囲については、第４実施形態と同様に（ただし、１２ＰＲと１２ＰＬの間隔は異なる）二つの第１の光出射範囲１２ＰＲと１２ＰＬを中央部からずらして左右に配置している。これらのプリズムアレーにより、主軸方向（水平軸方向Ｘ）に拡がった図示の第１の配光分布Ｄ１２を呈する。なお、図示二点鎖線で示す第２の配光分布Ｄ１２は、軸線１０ｘの周りの方位に関する偏り態様を楕円形状（図面上、左右部分が省略されている。）で模式的に示したものである。ただし、この第１の光出射範囲１２ＰＲと１２ＰＬは、平行光ＰＬに基づく先の各実施形態とは異なり、一方向フレネルレンズ構造による一方向平行光に基づくものであるため、副軸方向（垂直軸方向Ｙ）の出射光ＥＬの拡がり態様は、先の実施形態とは異なる態様の入射光束に依存するものとなる。
【００９２】
本実施形態では、第２の光出射範囲１２Ｓとして、先の各実施形態で示した第２の光出射範囲１２Ｔとは異なる態様を示した。このように、第２の光出射範囲は、レンズアレー構造に限らず、また、トロイダルレンズ面に限らず、種々のレンズ面を備えた構成とすることができる。また、入射面１１上に形成した一方向フレネルレンズ構造は、同等の集光性能を有するシリンドリカルレンズなどによって構成してもよく、或いは、前述のようにレンズ１０とは別のコリメーターＣＯＬ（集光レンズ）によって構成されていてもよい。
【００９３】
上述のようにして設計した図１２に模式的に示す第３実施形態に相当する構成を備えるプリズムアレー及びレンズアレーを光出射面１２上に構成し、光入射面１１上に図５に示すフレネルレンズ構造を構成した直径１５ｍｍの上記レンズ１０を試作した。そして、図５に示す上記フレネルレンズ構造の焦点位置に半導体発光素子１の発光部１ａを設置したときの、水平軸方向Ｘ（方位角φa）と垂直軸方向Ｙ（極角φｐ）の配光分布を示す光度のグラフを図１７（ａ）及び（ｂ）に示す。本実施形態のレンズ１０は、以下の表４に示すように、単一構造で所望の後退灯の配光分布（図３（ａ）の上記配光表に示されるもの）を実現できている。また、この試作品において、レンズ１０の直径１５ｍｍに対して、レンズ１０の厚みを２．９ｍｍとすることができた。後退灯などの車両用灯具においては、本実施形態を用いることにより、発光素子１に対して単一のレンズ１０により構成できるため、従来よりも大幅に薄型化することができる。なお、レンズ１０の上記厚みは、レンズの成形を容易化するとともに、レンズ剛性やレンズ面精度も確保するために、十分な厚み余裕を持たせたものである。したがって、レンズ設計上においては、１ｍｍ、或いは、それ以下の厚みとすることも可能である。
【００９４】
【表４】
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【００９５】
なお、上記第１〜第６実施形態において、光出射面１２に設ける第２の光出射範囲１２Ｔのレンズアレーについては、光軸１０ｘが縦横のレンズ領域１２ｒｓの各列の中央を通過する水平線と垂直線の交点上に配置される第１実施形態と同様の配列態様ではなく、光軸１０ｘが複数のレンズ領域１２ｒｓの境界に沿った水平線と垂直線の交点上に配置されるように構成しても構わない。また、上記各実施形態では、上記レンズアレー内において、完形の上記レンズ領域１２ｒｓの外周側に上記部分レンズ領域１２ｒｓ′が設けられる。そして、或る周縁位置に設けられた部分レンズ領域１２ｒｓ′に対して、入射面１１内の光軸１０ｘを挟んだ反対側の周縁位置に、相互に補完するような形状の他の部分レンズ領域１２ｒｓ′が存在するように構成される。このように構成すると、これらの対の部分レンズ領域１２ｒｓ′同士を合わせると、一つのレンズ領域１２ｒｓの領域の平面形状及びレンズ面形状にそれぞれ近い領域の平面形状及びレンズ面形状になる。これにより、互いに反対側に配置される一対の部分レンズ領域１２ｒｓ′同士が相互に光学的に補完し合うようになるため、完形のレンズ領域１２ｒｓのみで構成される場合に近い配光分布を得ることができる。図示例では、図示右上領域内と図示左下領域内、並びに、図示左上領域内と図示右下領域内において、上記のような補完関係を有する複数対の部分レンズ領域１２ｒｓ′が光軸１０ｘの周りの光出射面１２の外周部分に設けられる。このような部分レンズ領域１２ｒｓ′同士の補完作用は、中心領域（第１の光出射範囲１２Ｐ）の周りに対称的にレンズ領域１２ｒｓ及び部分レンズ領域１２ｒｓ′を配列させた円形状の上記レンズアレーを有する場合には、より効率的に生ずる。
【００９６】
上記第１〜第６実施形態では、複数のレンズ領域１２ｒｓがいずれも上述の基本条件を充足するトロイダル面ＳＵを備えているため、個々のレンズ領域１２ｒｓがそれぞれ同等の配光分布を形成し、光源がＬＥＤのようなインコヒーレントな場合であれば、レンズ１０の全体としても、基本条件を充足する第２の配光分布Ｄ２を容易に形成できる。また、レンズアレー構造を採用することにより、出射面１２の光軸１０ｘの方向の高低差を低減できるので、薄型化も可能になる。この効果は、本実施形態のように複数のレンズ領域１２ｒｓが縦横に配列される場合、すなわち、光軸１０ｘと直交する平面上の相互に交差する２方向に配列される場合に特に顕著である。また、第２の光出射範囲１２Ｔは単一のトロイダルレンズで構成することもできる。また、同一でない異なる形状や面積のレンズ面を有する複数のレンズ領域１２ｒｓを設けてもよい。
【００９７】
上記各実施形態では、入射面１１に設けたコリメーターを軸対称性を有する集光面によって構成することにより、発光素子１の発光部１ａの指向特性に対応する効率的な集光性を実現できる。この効果は、点状光源である発光素子１が光軸周りに等方状の指向特性を備える場合に特に顕著である。また、上記コリメーターによってレンズ１０内の伝搬光を平行光ＰＬとすることにより、上記プリズムアレー構造やレンズアレー構造の設計を容易化できる。さらに、上記コリメーターをフレネルレンズ構造とすることによってレンズ１０の薄型化を妨げない。特に、内周部分を屈折型集光構造若しくは凸レンズを有する入射面領域１１Ａとし、外周部分を反射型集光構造を有する入射面領域１１Ｂとすることにより、広範囲の発散光束を効率的に集光することができる。
【００９８】
なお、本発明においては、上記実施形態及びその変形例に限らず、本発明の要旨に沿った種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態では、レンズ１０の外周形状を円形状としているが、当該外周形状は、楕円状、矩形状であってもよく、他の多角形状であってもよい。また、第１の光出射範囲のプリズム出射面部の形状は平坦面に限らず、凸曲面や凹曲面であってもよい。さらに、第２の光出射範囲のレンズ面形状としてトロイダル面を採用した場合には、水平軸方向の曲率と垂直軸方向の曲率を異なるものとする各種のトロイダル面形状であればよく、上記実施形態の表２に示すパラメータにより示される典型的なトロイダルレンズの面形状に限らず、以下の数１５のサグ量定義式で示されるバイコーニックレンズの面形状や、数１６のサグ量定義式で示されるバイコーニックゼルニケレンズの面形状を含む。ここで、ｃｘ、ｃｙは、光軸とレンズ面の交点におけるｘ方向、ｙ方向の曲率、ｋｘ、ｋｙは、ｘ方向、ｙ方向のコーニック係数、α、βは、ｘ方向、ｙ方向の非線形定数である。なお、数１５では、非線形定数は偶数次のみで１６次までとし、ゼルニケ標準ポリノミアルの係数は０としている。これらの場合のパラメータを表４に示す。各面形状のパラメータの設定値は任意である。
【００９９】
【数１５】
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【０１００】
【数１６】
2020035706.tif 000022
【０１０１】
【表５】
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【０１０２】
なお、数１のＲｐ、数２のＣａ、数１５及び数１６のＣｘ、Ｃｙの値はそれぞれ負の値であってもよい。換言すれば、数１のＲｐを−Ｒｐとし、数２のＣａを−Ｃａ、数１５及び数１６のＣｘ、Ｃｙを−Ｃｘ、−Ｃｙに変更してもよい。これらの変更はレンズ形状を凸型トロイダルレンズと凹型トロイダルレンズの一方から他方に変えたときの数式上の操作である。レンズの焦点距離がデテクタとレンズ間の距離に比し無視できるほど小さい場合はこれらの係数の符号の変更は配光分布には影響しない。
【０１０３】
また、車両用灯具の配光分布については、道路運送車両の保安基準（道路運送車両の保安基準の細目を定める告示［２０１８．０２.１０］）において、「灯火器及び反射器並びに指示装置の取付装置の技術基準」（別添５２）又は「二輪自動車等の灯火器及び反射器並びに指示装置の取付装置の技術基準」（別添５３）に含まれる各灯の技術基準を適用する。それぞれの技術基準には、「制動灯の技術基準」（別添７０）、「車幅灯の技術基準」（別添５８）、「前部上側端灯の技術基準」（別添５９）、「側方灯の技術基準」（別添６１）、「尾灯の技術基準」（別添６４）、「補助制動灯の技術基準」（別添７１）、「後退灯の技術基準」（別添７２）などがある。これらの技術基準に定められた配光表その他の配光特性の条件が設定されているものについては、その基準の内容や名称が変更された場合でも、現時点において適用されている規程を採用する。また、「方向指示器」についても、上記基本条件と同等の出射角度範囲内において同等の配光分布が形成されるように複数のトロイダルレンズ領域の光出射特性が設けられることが好ましい。さらに、海外についても同様であるが、上記の規程に代えて相当する各国の規程を採用する。
【０１０４】
さらに、上記各実施形態では、一つの主軸方向（水平軸方向Ｘ）に向けて斜めに出射するプリズム出射面部１２ｐｅを備えるプリズム領域１２ｐｒを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、２以上の主軸方向を備えたプリズムアレーを設けてもよい。例えば、一方の主軸方向に向いた傾斜したプリズム出射面部１２ｐｅを備えるプリズム領域１２ｐｒと、他方の主軸方向に向いた傾斜したプリズム出射面部１２ｐｅを備えるプリズム領域１２ｐｒとを別々に設けてもよい。或いは、三角錐や四角錐などの多角錐形状のプリズム領域１２ｐｒを設けることで、共通のプリズム領域１２ｐｒが複数の主軸方向を備えるように構成してもよい。
【符号の説明】
【０１０５】
１…発光素子、１ａ…発光部、１０…レンズ、１１…光入射面、１２…光出射面、１２Ｐ…第１の光出射範囲、１２ｐｒ…プリズム領域、１２ｐｔ…頂部、１２ｐｖ…谷部、１２ｐｅ…プリズム出射面部、１２Ｐｂ…ベースライン、１２Ｐｐ…トップライン、１２Ｔ，１２Ｓ…第２の光出射範囲、１２ｒｓ…レンズ領域、１２ｒｓ′…部分レンズ領域、ＳＵ，ＳＵ′…トロイダル面、Ｓｕ…単位出射領域、Ｐｕ…出射位置、Ｔ１〜Ｔ７…対応ポイント、ＳＤ…条件設定範囲、Ｓｄ…単位入射領域、Ｐｄ…入射位置、Ｓ１〜Ｓ７…サンプリングポイント、ＤＴ…デテクタ面、Ｄ１…第１の配光分布、Ｄ２…第２の配光分布、ＤＬ…配光分布
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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