(57)【要約】      （修正有）【課題】所要の配光分布を容易に実現できると同時に薄型化を図ることが可能な車両用灯具を提供する。【解決手段】車両用灯具構成レンズ１０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た入射面１１と、前記コリメーターにより集光される光が到達する範囲において、複数のトロイダルレンズ領域１２ＴＲを備えるトロイダルレンズアレーが形成された出射面１２とを具備する。複数のトロイダルレンズ領域１２ＴＲは、出射角範囲内において、光軸上の前記コリメーターの焦点位置を基準とする入射角θについてｃｏｓθの４乗に比例する密度分布の光軸と平行な入射光束に基づいて相互に同等の配光分布を形成することが好ましい。【選択図】図３
2019219438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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た入射面と、
前記コリメーターにより集光される光が到達する範囲において、複数のトロイダルレンズ領域を有するトロイダルレンズアレーが形成された出射面と、
を具備し、
前記複数のトロイダル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、
車両用灯具構成レンズ。
【請求項２】
前記複数のトロイダルレンズ領域は、少なくとも水平軸方向の方位角範囲が左右それぞれ１０度、少なくとも垂直軸方向の極角範囲が上方１０度と下方５度の光軸を中心とする出射角範囲内において、光軸上の前記コリメーターの焦点位置を基準とする入射角θについてｃｏｓθの４乗に比例する密度分布の光軸と平行な入射光束に基づいて相互に同等の配光分布を形成する光出射特性を備える、
請求項１に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項３】
前記複数のトロイダルレンズ領域の前記光出射特性は、前記出射角範囲内において、各トロイダルレンズ領域の中心軸をそれぞれ中心とする相互に同等の配光分布を形成する、
請求項２に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項４】
前記複数のトロイダルレンズ領域は、相互に同一のレンズ面形状及び相互に同一の領域の平面形状を備える、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項５】
前記トロイダルレンズ領域の前記レンズ面形状は、前記水平軸方向に沿った前記曲線形状が非円弧状であり、前記垂直軸方向に沿った前記曲線形状が円弧状である、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項６】
中心の周りに対称的な配列態様で前記複数のトロイダルレンズ領域が配列された完形領域配列範囲を含む円形のレンズアレー範囲を備え、該レンズアレー範囲内において前記完形領域配列範囲の外周側には、前記トロイダルレンズ領域の前記レンズ面形状及び前記領域の平面形状の一部を備える複数の部分トロイダルレンズ領域が前記配列態様と同様に連続して配列される、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項７】
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た入射面と、
前記コリメーターにより集光平行化される光が到達する範囲において、トロイダルレンズのレンズ面形状を光軸周りの複数の同心楕円状プリズム構造によって構成するトロイダルフレネルレンズ面が形成された出射面と、
を具備し、
前記トロイダルレンズの前記レンズ面形状は、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、
車両用灯具構成レンズ。
【請求項８】
前記出射面の外周部分に、前記入射面の外周部分から入射した光を少なくとも外周側へ分散させて出射する外周レンズ部を有する、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項９】
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フレネルレンズである、
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】
前記フレネルレンズは、内周側にフレネル構造若しくは凸レンズ状の屈折型レンズ領域を備え、外周側にフレネル構造の反射型レンズ領域を備える、
請求項９に記載の車両用灯具構成レンズ。
【請求項１１】
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と、
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入射面から前記出射面に向かう平行光が生ずる位置に配置された発光部を有する発光素子と、
を具備する車両用灯具。
【請求項１２】
前記発光部は光軸周りにランバーシアン型の配光特性を備えた点状光源である、
請求項１１に記載の車両用灯具。
【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類がある。
【０００３】
国際連合欧州経済委員会(U.N. Economic Comission 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】
上記表示系の灯類では、高い視認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とともに、コンパクト性も要求される。このような灯類に関する従来文献としては、以下の特許文献及び非特許文献がある。以下の特許文献や非特許文献では、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、複合放物面型集光器（ＣＰＣ）、レンズアレー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が、いずれも、所要の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】特開昭６１−１０１９０１号公報
【特許文献２】実開昭６２−１７６９０４号公報
【特許文献３】特公昭６３−２３６０４号公報
【特許文献４】特許第５４４２３２１号公報
【特許文献５】特開平０５−１２０９０２号公報
【特許文献６】特開平１１−１３３２０８号公報
【特許文献７】特開２００５−４９３６７号公報
【特許文献８】特開平０２−１８９９９０号公報
【特許文献９】特開２０１５−０２２９８４号公報
【特許文献１０】国際公開２０１３/１６４９２３号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】P. Salvatore, "TIR Reflectors for Rear Lamps," SAE Technical Paper 2001-01-0456
【非特許文献２】Hubert Ott, John Nylander,"Ultra-Thin Automotive Lamps(8-12mm) Using Special SMT LEDs and Special Optics," SAE Technical paper 2002, 2002-01-0383
【非特許文献３】Hetz, S., "First "All-LED" Rear Combination Lamp-Challenges and Oportunities," SAE Technical Paper 2006-01-0287,
【非特許文献４】Jeyachandrabose Chinniah, E. Mitchell Sayers, Christopher L. Eichelberger, "Construction and Application of Near Field (TIR Type) Lenses for Automotive Lighting Functions," SAE Technical Paper 2007-01-1040
【非特許文献５】Mikhail A. Moiseev and Leonid L. Doskolovich, "Design of TIR optics generating the prescribed irradiance distribution in the circle region," JOSA (Journal of the Optical Society of America A) vol.29, issue9 1758-1763, 2012
【非特許文献６】Mikhail A. Moiseev, Leonid L. Doskolovich, Kseniya V. Borisova & Egor V. Byzov  "Fast and robust technique for design of axisymmetric TIR optics in case of an extended light source," J. Mod. Opt. (Journal of Modern Optics) vol.60, issue 14, pp.1100-1106, 2013
【非特許文献７】J.Kim, Y. Lee, S Oh, J. Yang, "Flexible Tail Lamp Design," ATZ worldwide vol.117 Issue 2, pp.16-19, 2015
【非特許文献８】シグマ光機ウェブサイト内「フライアイレンズ」  URL＝https://www.global-optosigma.com/jp/Catalogs/pno/?from=page&pnoname=FEL&ccode=W3183&dcode=
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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の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をクリアすると同時に、省スペースの観点から薄型化が重要である。このうち薄型化は上記のように多くの研究機関、ランプメーカで活発に研究開発が進められている。しかしながら従来の制動灯や尾灯などの車両用灯具には、配光分布をクリアし同時にその厚みを薄くすることが困難であるという問題があった。
【０００８】
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、所要の配光分布を容易に実現できると同時に薄型化を図ることの可能な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】
【０００９】
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た入射面と、前記コリメーターにより集光された光が到達する範囲において、複数のトロイダルレンズ領域を有するトロイダルレンズアレーが形成された出射面とを具備する。ここで、上記トロイダル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となっている。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。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。このとき、前記複数のトロイダルレンズ領域は、車両用灯としての配光特性の基本条件が定められた光軸を中心とする出射角範囲内、或いは、少なくとも水平軸方向の方位角範囲が左右それぞれ１０度、少なくとも垂直軸方向の極角範囲が上方１０度と下方５度の光軸を中心とする出射角範囲内において、光軸上の前記コリメーターの焦点位置を基準とする入射角θについてｃｏｓθの４乗に比例する密度分布の光軸と平行な入射光束に基づいて相互に同等の配光分布を形成する光出射特性を備えることが好ましい。この場合、少なくとも水平軸方向の方位角範囲が左右それぞれ２０度、少なくとも垂直軸方向の極角範囲が上下それぞれ１０度の光軸を中心とする出射角範囲内において、上記と同様に同等の配光分布を形成する光出射特性を備えることがより望ましい。上記光出射特性が、前記出射角範囲内において、各トロイダルレンズ領域の中心軸をそれぞれ中心とする相互に同等の配光分布を形成するときを含む。ただし、上記光出射特性が、前記出射角範囲内において、前記光軸を相互に一致する共通の中心とする同等の配光分布を形成するときであってもよい。また、前記複数のトロイダルレンズ領域は、相互に同一の領域の平面形状を備えることが好ましい。このとき、複数のトロイダルレンズ領域は、相互に同一のレンズ面形状を備えることが望ましい。上記出射角範囲は、光軸を中心として水平軸方向及び垂直軸方向の両側にそれぞれ対称な広がりを備える範囲（後述する条件設定範囲ＳＤ）であることが好ましい。
【００１０】
次に、本発明の車両用灯具は、発光素子と、該発光素子から放出される光を集光平行化するためのコリメーターが形成された入射面、及び、前記コリメーターにより集光平行化された光が到達する範囲において、複数のトロイダルレンズ領域を有するトロイダルレンズアレーが形成された出射面を有するレンズと、を具備することを特徴とする。ここで、前記複数のトロイダルレンズ領域は、それぞれ、光軸上の前記コリメーターの焦点位置を基準とする入射角θについてｃｏｓθの４乗に比例する密度分布の光軸と平行な入射光束に基づいて、上記と同じ光軸を中心とする出射角範囲において、相互に同等の配光分布を形成する光出射特性を備えることが好ましい。このとき、相互に同等の配光分布を形成する場合には、各トロイダルレンズ領域の光出射特性が、前記出射角範囲内において、各トロイダルレンズ領域の中心軸をそれぞれ中心とする相互に同等の配光分布を形成するときを含む。ただし、上記光出射特性が、前記出射角範囲内において、前記光軸を相互に一致する共通の中心とする同等の配光分布を形成するときであってもよい。
【００１１】
また、本発明の別の車両用灯具構成レンズは、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た入射面と、前記コリメーターにより集光された光が到達する範囲において、トロイダルレンズのレンズ面形状を光軸周りの複数の同心楕円状プリズム構造によって構成するトロイダルフレネルレンズ面が形成された出射面とを具備する。ここで、上記トロイダルレンズのレンズ面形状は、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となっている。さらに、本発明の別の車両用灯具は、発光素子と、該発光素子から放出される光を集光平行化するためのコリメーターが形成された入射面、及び、前記コリメーターにより集光平行化された光が到達する範囲において、トロイダルレンズのレンズ面形状を光軸周りの複数の同心楕円状プリズム構造によって構成するトロイダルフレネルレンズ面が形成された出射面を有するレンズと、を具備することを特徴とする。なお、上記トロイダルレンズは非線形定数が考慮される場合もある。
【００１２】
なお、上記配光分布とは、一般には、特定の方位角における特定の仰角方向の光度を当該方向の光度とし、これを複数の方向について計測しその上で各方向の光度分布として表現したものである。ただし、本発明においては、上記配光分布の同等性に関しては、絶対的光度を考慮するものではなく、相対的光度を考慮する。また、上記出射角範囲とは、光軸を中心とした、上述の方位角範囲及び極角範囲、或いは、国土交通省の定める道路運送車両の保安基準において配光表により光度基準値が示される水平軸に沿った方位角及び垂直軸に沿った極角の範囲をいう。さらに、相互に同等の配光分布であるとは、上述の方位角範囲及び極角範囲内における光度間の相対的な比率の分布が同等であること、或いは、国土交通省の定める道路運送車両の保安基準において配光表により光度基準値が示される方位角度の光度間の相対的な比率が同等であることをいう。
【００１３】
一方、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入射面から前記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。
【００１４】
上記各発明において、前記複数のトロイダルレンズ領域は、光軸と直交する平面上の相互に交差する２方向に（例えば縦横に）配列されることが好ましい。この場合において、上記複数のトロイダルレンズ領域の領域の平面形状は、平面充填性を有する平面形状であり、前記出射面は、前記複数のトロイダルレンズ領域が平面充填される態様で配列される範囲（以下この範囲を「完形領域配列範囲」と記す）を含むことが望ましい。また、前記領域の平面形状は、多角形状であることが好ましく、正方形若しくは長方形あるいは六角形であることが望ましい。
【００１５】
上記各発明において、前記複数のトロイダルレンズ領域の前記レンズ面形状は、水平軸方向（左右方向、方位角方向）と垂直軸方向（上下方向、極角方向）とに関して相互に異なる曲線形状を備えるトロイダルレンズ形状（バイコーニックレンズ形状やバイコーニックゼルニケレンズ形状を含む。）であることが好ましい。特に、前記水平軸方向と前記垂直軸方向のそれぞれにおいて他方の軸について対称なレンズ面形状であることが好ましい。
【００１６】
上記各発明において、前記トロイダルレンズ領域の前記レンズ面形状は、前記水平軸方向に沿った曲線形状が非円弧状であり、前記垂直軸方向に沿った曲線形状が円弧状であることが好ましい。例えば、前記トロイダルレンズ領域の前記レンズ面形状は、水平軸方向に関しては、コーニック係数ｋa、光軸上の曲率ｃa（曲率半径の逆数）、及び、非線形定数の一部（例えば、２次の非線形定数αa１、４次の非線形定数αa２、６次の非線形定数αa３、及び、８次の非線形定数αa４等）によって定めることが好ましい。これにより、水平軸方向に沿った曲線形状は円弧状からずれた形状（非円弧状）となる。一方、垂直軸方向については、回転半径Ｒｐを設定するが、他のパラメータである、コーニック係数ｋｐ、光軸上の曲率ｃｐ、非線形定数αｐ１、αｐ２、αｐ３、αｐ４等を全て０に設定することにより、垂直軸方向に沿った曲線形状は円弧状となる。
【００１７】
上記各発明において、中心の周りに対称的な配列態様で前記複数のトロイダルレンズ領域が配列された完形領域配列範囲を含む円形のレンズアレー範囲を備え、該レンズアレー範囲内において前記完形領域配列範囲の外周側には、前記トロイダルレンズ領域の前記レンズ面形状及び前記領域の平面形状の一部を備える複数の部分トロイダルレンズ領域が前記配列態様と同様に連続して配列されることが好ましい。
【００１８】
上記各発明において、前記出射面の外周部分に、前記入射面の外周部分から入射した光を少なくとも外周側へ分散させて出射する外周レンズ部を有することが好ましい。この外周レンズ部は前記出射面の外周縁に設けられることが望ましい。また、前記外周レンズ部は、前記トロイダルレンズ領域の前記レンズ面形状とは異なるレンズ面形状を備え、前記トロイダルレンズ領域のレンズ面形状（トロイダル面形状）の決定時に用いる条件を規定するサンプリングポイントが含まれるデテクタ面上の条件設定範囲の外側範囲の配光特性に影響を与えることが望ましい。このとき、前記外側範囲よりも内側の上記条件設定範囲内の配光分布に関する上記条件の充足性に影響を与えないことが望ましい。この外周レンズ部は、車両用灯具に要求される条件設定範囲の外側範囲への光の入射特性を、上記条件に基づいて設定された上記トロイダルレンズ領域の前記レンズ面形状を前提として決定する。当該外周レンズ部は、後述する実施例のようにレンズの出射面の外周縁に環状若しくは枠状に形成されていてもよく、或いはまた、外周縁のうちの光軸周りの必要な角度部分のみにおいて限定的に形成されていてもよい。さらに、外周レンズ部は、外周縁に沿って不連続（離散的に）形成されていてもよい。
【００１９】
上記各発明において、上記コリメーターは、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。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、コリメーターを構成する入射面と、複数のトロイダルレンズ領域を含む出射面とを具備するレンズを用いることにより、トロイダルレンズ領域のレンズ面形状により、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。また、レンズの出射面に複数のトロイダルレンズ領域を有するレンズアレー構造を設けることにより、レンズの厚みを低減することができるため、車両用灯具の薄型化を図ることができる。また、コリメーターにフレネルレンズを用いる場合には、レンズの厚みをさらに薄型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態の車両用灯具構成レンズの出射面を示す平面図である。
【図２】上記レンズの入射面を示す平面図である。
【図３】上記レンズの断面を示す断面図である。
【図４】第２実施形態の車両用灯具構成レンズの出射面を示す平面図である。
【図５】上記レンズの断面を示す断面図である。
【図６】上記レンズの出射面のトロイダル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】トロイダル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】車両用灯具の一例としての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】上記トロイダル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】外周レンズ部の変形例の出射特性の例を示す説明図（ａ）及び（ｂ）である。
【図１２】本発明に係る第３実施形態のレンズの出射面上のトロイダルフレネル構造の説明図（ａ）及びトロイダルフレネル構造を示す平面図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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３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は上記レンズの出射面を示す平面図、図２は上記レンズの入射面を示す平面図、図３は上記レンズの断面を光源とともに示す断面図である。なお、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。
【００２３】
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は、図３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を受ける入射面１１と、入射面１１により入射光ＩＬが屈折してなる平行光ＰＬをさらに屈折させて出射光ＥＬとする出射面１２とを有する。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。入射面１１は、コリメーターを構成するフレネルレンズ構造の入射面領域１１Ａ，１１Ｂを備えている。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、後述する出射面１２の出射光ＥＬによって所要の配光分布や配光範囲を得るのに支承のない程度に、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の内部を出射面１２に向けて伝搬する。
【００２４】
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。
【００２５】
上記入射面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。
【００２６】
上記入射面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２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。
【００２７】
一方、レンズ１０の出射面１２には、相互に同等の配光分布を形成する複数のトロイダルレンズ領域１２ＴＲが設けられている。また、複数のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ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、複数のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ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、同等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。このとき、上記配光分布とは、絶対的光度を考慮するものではなく、相対的光度の方位依存性若しくは所定の投影面（例えば、後述するデテクタ面）上の位置依存性をいう。また、上記の同等の配光分布とは、後述する車両用灯具の種別に応じて定められる技術基準において、配光表により光度基準値が示される方位での光度値の相対的な比率が同等である配光分布をいう。この配光表の例は図８に示されており、詳細は後述する。
【００２８】
上記のトロイダルレンズ領域１２ＴＲは、完形領域配列範囲１２ＡＲ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、完形領域配列範囲１２ＡＲにおいて、正方形状のトロイダルレンズ領域１２ＴＲが縦横にマトリクス状に隙間なく配列されている。出射面１２において上記トロイダルレンズ領域１２ＴＲと部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′が配列されている範囲をレンズアレー範囲１２ＡＲ′という。図示例では、レンズアレー範囲１２ＡＲ′は、光軸１０ｘを中心とする円形となっている。ここで、トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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、複数のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ（領域の平面形状）の間や上記完形領域配列範囲１２ＡＲの外側に上記トロイダルレンズ領域１２ＴＲや部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′のトロイダル面のない領域が存在しても構わない。
【００２９】
また、上記完形領域配列範囲１２ＡＲの外周側では、トロイダルレンズ領域１２ＴＲの一部と同じレンズ面形状を備える部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′が設けられる。この部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′は、完形領域配列範囲１２ＡＲの外周側において、上記トロイダルレンズ領域１２ＴＲの全体が配置できる面積が確保できないことによって生ずる。換言すれば、上記完形領域配列範囲１２ＡＲの外側であって、トロイダルレンズ領域１２ＴＲの全体を配置できない外周側の範囲に、上記部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′が配置される。また、上記完形領域配列範囲１２ＡＲの外側では、複数の部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′が配置されていて、これらの部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′同士の間も隙間がないように、平面充填性を満たす態様で配列されている。図示例では、光軸１０ｘが中心位置を通過する中央のトロイダルレンズ領域１２ＴＲが存在し、その周囲に同形状のトロイダルレンズ領域１２ＴＲが縦横に配列される。完形領域配列範囲１２ＡＲの外側でも、その配列態様を崩さないように、上記部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′が配列される。これにより、部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′の内周側部分の一部の形状は上記トロイダルレンズ領域１２ＴＲと同じであるが、外周側部分の残部の形状は、後述する外周レンズ部１３の内縁によって切り取られた形状とされる。レンズアレー範囲１２ＡＲ′では、光軸１０ｘと一致する中心の周りに対称的に上記トロイダルレンズ領域１２ＴＲと部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′が配列される。
【００３０】
また、上記レンズアレー範囲１２ＡＲ′のさらに外周側には、光軸１０ｘを中心とするリング状の外周レンズ部１３が形成される。この外周レンズ部１３は、上記トロイダルレンズ領域１２ＴＲと部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′のそれぞれのレンズ面形状（トロイダル面形状）とは異なるレンズ面形状を備える部分である。図示例では、外周レンズ部１３のレンズ面形状は、光軸１０ｘを中心軸とするトーラス形状となっている。すなわち、光軸１０ｘを中心とする半径方向に沿った断面の出射面１２上の輪郭が円弧状（半円状）となっている。この円弧の半径、言い換えれば曲率は、トロイダルレンズの光軸における曲率より大きく設計されているため、トロイダルレンズが射出する方位角、仰角よりも大きな方位角、仰角の方向（広角範囲）に光が出射する。なお、図中上部で、外周側に向かう出射光ＥＬ′と、内周側に向かう出射光ＥＬ″を示しているが、これに対応した図中下部からも図示はしていないが同様な射出光があることはいうまでもない。
【００３１】
上記トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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。
【００３２】
【数１】
2019219438.tif 000003
【００３３】
【数２】
2019219438.tif 000004
【００３４】
ここで、上記トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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。
【００３５】
【数３】
2019219438.tif 000005
【００３６】
【数４】
2019219438.tif 000006
【００３７】
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。
【００３８】
【数５】
2019219438.tif 000007
【００３９】
【数６】
2019219438.tif 000008
【００４０】
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。
【００４１】
【数７】
2019219438.tif 000009
【００４２】
【数８】
2019219438.tif 000010
【００４３】
【数９】
2019219438.tif 000011
【００４４】
【数１０】
2019219438.tif 000012
【００４５】
【数１１】
2019219438.tif 000013
【００４６】
図７に示すように、トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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。
【００４７】
トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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。
【００４８】
【数１２】
2019219438.tif 000014
【００４９】
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を備えるトロイダルレンズ領域１２ＴＲ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。
【００５０】
【数１３】
2019219438.tif 000015
【００５１】
上記数１３の式は、一つのトロイダルレンズ領域１２ＴＲ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。
【００５２】
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。この条件設定範囲ＳＤは、上述の所定の出射角範囲に対応するものである。
【００５３】
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、トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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。
【００５４】
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。
【００５５】
【表１】
2019219438.tif 000016
【００５６】
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。
【００５７】
【表２】
2019219438.tif 000017
【００５８】
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、トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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。
【００５９】
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。
【００６０】
【表３】
2019219438.tif 000018
【００６１】
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トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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。
【００６２】
上述のようにして設計したトロイダル面ＳＵを備えたトロイダルレンズ領域１２ＴＲを図１に示す態様で複数配列したレンズアレー範囲１２ＡＲ′を構成した直径１５ｍｍの上記のレンズ１０を試作した。そして、図３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Ｐのグラフを図１０に示す。本実施形態のレンズ１０は、単一構造で所望の配光分布（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２ｍｍとすることができた。制動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程度、或いは、それ以下の厚みとすることも可能である。
【００６３】
本実施形態では、複数のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ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、全てのトロイダルレンズ領域１２ＴＲ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、複数のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ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、隣接する領域１２ＴＲ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。
【００６４】
なお、複数のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ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、複数のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ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、複数のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ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、上記レンズアレー範囲１２ＡＲ′の中心近傍に配置されるトロイダルレンズ領域１２ＴＲ（つまり、光軸１０ｘが、領域内部を通過するか、領域の近傍を通過する場合）であっても、光軸１０ｘから離れたところに配置されるトロイダルレンズ領域１２ＴＲ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、トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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。
【００６５】
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、トロイダルレンズアレー内の各トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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、各トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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。
【００６６】
【数１４】
2019219438.tif 000019
【００６７】
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、各トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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、各トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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、トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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。
【００６８】
さらに、出射面１２のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ及び部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′が配列したレンズアレー範囲１２ＡＲ′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、トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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。
【００６９】
レンズ１０の外形寸法（直径や一辺の長さ）ＢＬ（本実施形態ではＢＬ＝１５ｍｍ）に対して、外周レンズ部１３の寸法（半径方向の長さや辺に沿った長さ）ＴＬ（本実施形態ではＴＬ＝０．３５ｍｍ）は、１／５〜１／５０の範囲内であることが好ましく、特に、１／１０〜１／４０の範囲内であることが望ましい。これは、寸法ＴＬが寸法ＢＬに対して小さくなりすぎると、外側範囲の追加条件を充足することが困難になり、逆に寸法ＴＬが寸法ＢＬに対して大きくなりすぎると、条件設定範囲ＳＤ内の配光分布が影響を受けやすくなり、その条件充足性が危うくなるとともに、条件設定範囲ＳＤ内光の利用効率も低下するからである。
【００７０】
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トロイダルレンズ領域１２ＴＲ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を備える複数のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ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。
【００７１】
上記の例では、デテクタ面ＤＴ上に条件設定範囲ＳＤを設定し、この条件設定範囲ＳＤ内で所望の配光分布を実現するようにレンズ１０を設計している。ところが、車両用灯具では、上記配光表により示される条件設定範囲ＳＤ内の基本条件の他に、上記条件設定範囲ＳＤの外側である高出射角の出射光ＥＬがデテクタ面ＤＴ上に入射する範囲（以下、単に「外側範囲」という）を含めた広角範囲での追加条件の充足性が要求される場合がある。例えば、上記制動灯の場合、前述の制動灯の技術基準（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、配光分布に関する条件は「４．配光特性」の４．２．に規定されている。ここで、上記配光表（別紙２）による条件設定範囲ＳＤ内の基本条件は上述のように４．２．一に記載されている。一方、４．２．四によれば、方位角φaにおいては左右それぞれ４５度以下の範囲、極角φｐにおいては上下それぞれ１５度以下（制動灯の照明部の上縁の高さが７５０ｍｍ未満の位置に取り付けられるときは、下方を５度以下とする。）の上記外側範囲を含む全体（別紙１）において、デテクタ面ＤＴ上での制動灯の光度は０．３ｃｄ等以上でなければならないというより広角範囲内での追加条件が規定されている。したがって、上記４．２．一の条件は上述のトロイダル面ＳＵの設計により充足することができたとしても、上記４．２．四の追加条件は、そのままで充足することができるとは限らない。
【００７２】
そこで、上記４．２．四の追加条件を満たしやすくするために、図１に示すように、上記外周レンズ部１３が設けられる。外周レンズ部１３の平面形状は、図示例では光軸１０ｘを中心とする同軸のリング状となっているが、所望の配光分布を実現するのであれば、このような平面形状に限らず、矩形状に構成されていてもよく、さらには、外周の一部にのみ部分的に、或いは、外周縁に沿って離散的に形成されていてもよい。外周レンズ部１３は、上記トロイダルレンズ領域１２ＴＲと部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′が配列されている範囲に基づく上記条件設定範囲ＳＤ内の配光特性に実質的に影響を与えず、しかも、上記条件設定範囲ＳＤの外側範囲において上記追加条件を満たすように作用する。
【００７３】
具体的には、入射面１１の外周部分から入射した光（平行光ＰＬ）は、出射面１２の外周部分にある外周レンズ部１３の表面で外周側に向けて、図３に示す出射光ＥＬ′として、分散する態様で出射する。図示例の場合には、トーラス形状の円弧状輪郭を備える表面により、半径方向（水平軸方向ｘ及び垂直軸方向ｙの両方向）の上記条件設定範囲ＳＤの外側範囲に向けて出射する。外周レンズ部１３のレンズ面形状は、少なくとも、外周側（光軸１０ｘとは反対側）へ向けて出射光ＥＬ′を分散させて出射するように構成されていればよい。このとき、外周レンズ部１３から上記条件設定範囲ＳＤ内に向けて出射される出射光ＥＬ″が、条件設定範囲ＳＤ内の配光分布に対して大きく寄与せず、上記基本条件の充足性に影響を与えないように、外周レンズ部１３の出射面積や出射面形状を制限する。この追加条件を満たすための外周レンズ部１３の設計は、条件設定範囲ＳＤ内の基本条件を充足するトロイダル面ＳＵが決定された後において、条件設定範囲ＳＤ内の条件充足性を維持しながら行えばよいので、比較的容易に実施できる。
【００７４】
図４及び図５には、上記と異なる形状の出射面２２を備えた第２実施形態のレンズ２０が示されている。この第２実施形態のレンズ２０では、入射面２１は、レンズ１０の入射面１１と同様に構成することができる。また、出射面２２のうちのレンズアレー範囲２２ＡＲ′については、第１実施形態と同様に構成することができる。ただし、実線で示す第１実施形態と同様の配列態様ではなく、光軸２０ｘが複数のトロイダルレンズ領域２２ＴＲの境界位置に配置されるように、複数のトロイダルレンズ領域２２ＴＲを図示点線で示す異なる態様で配列してもよい。より具体的に述べれば、図示例の点線で示す配列態様では、光軸２０ｘは、中央の４つのトロイダルレンズ領域２２ＴＲの間の中央の交点上を通過する。このように、トロイダルレンズ領域２２ＴＲや部分トロイダルレンズ領域２２ＴＲ′の配列態様は、特に限定されない。ただし、実線で示す配列態様や点線で示す配列態様のように、レンズアレー範囲１２ＡＲ′，２２ＡＲ′において、光軸２０ｘの周囲に均等にトロイダルレンズ領域１２ＴＲや部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′が配置されることが、所望の配光分布を実現しやすくなるために好ましい。なお、点線で示す配列態様を第１実施形態のレンズ１０に採用してもよい。
【００７５】
また、この第２実施形態の出射面２２において、外周レンズ部２３は、第１実施形態とは異なり、内周側に設けられた光軸２０ｘと平行な（同軸状の）リング状の段差面２３ａと、この段差面２３ａと対向するように内周側に向くとともに出射側に傾斜した傾斜面２３ｂとを備えた凹溝構造（環状溝構造）により構成される。このような凹溝構造によっても、入射面２１の外周部分に入射した平行光ＰＬは傾斜面２３ｂや段差面２３ａにより反射される結果、上記条件設定範囲ＳＤの外側範囲（外周側）に向けて光を分散させた態様で出射させることができる。図１１には、基本的には第２実施形態の外周レンズ部２３の傾斜面２３ｂと同等の出射特性を有するが、異なる形状の外周レンズ部２３′及び２３″の出射特性を示す。図１１（ａ）の外周レンズ部２３′は、断面の輪郭Ａ−Ｂが直線状であるリング状の傾斜面を有する場合、同図（ｂ）は、断面の輪郭Ａ−Ｂが円弧若しくは円弧に更に非線形項を付加した曲線状であるリング状の傾斜面を有する場合である。これらでは、入射光の拡がり角Δθｉｎに応じて上記傾斜面で反射された出射光が分散される。上記傾斜面の形状は、フレネルコリメータからの出射光のコリメーション性に合わせて選ぶことができる。
【００７６】
上記各実施形態では、各レンズアレー範囲１２ＡＲ′，２２ＡＲ′内において、上記トロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲの外周側に上記部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′、２２ＴＲ′が設けられる。そして、或る周縁位置に設けられた部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′、２２ＴＲ′に対して、入射面１１，２１内の光軸１０ｘ、２０ｘ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トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′、２２ＴＲ′が存在するように構成される。このように構成すると、これらの対の部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′，１２ＴＲ′を合わせると、一つのトロイダルレンズ領域１２ＴＲ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トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′、２２ＴＲ′同士が相互に光学的に補完し合うようになるため、外周レンズ部１３，２３の内側の範囲がトロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲ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トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′、２２ＴＲ′が光軸１０ｘ、２０ｘの周りの出射面１２，２２の外周部分に設けられる。このような部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′、２２ＴＲ′同士の補完作用は、中心の周りに対称的にトロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲ及び部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′，２２ＴＲ′を配列させた円形状の上記レンズアレー範囲１２ＡＲ′，２２ＡＲ′を有する場合には、より効率的に生ずる。
【００７７】
例えば、トロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲを一辺２Ｌの正方形とし、図１及び図４の実線で示す配列態様で、半径１８．２５Ｌの円形状のレンズアレー範囲を設定した。このレンズアレー範囲内にトロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲ及び部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′，２２ＴＲ′をレンズアレー範囲の中心周りに対称的に配列させると、レンズ領域の全計数は２７７個となり、そのうちの約４０個が部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′，２２ＴＲ′となった。この場合には、完形のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲとは大きく異なる形状の部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′，２２ＴＲ′がレンズ範囲の外周部分の右上領域に約１０個、左下領域に約１０個生じた。これらの合計２０個の部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′，２２ＴＲ′は、相互に補完し合うことにより、ほぼ１０個の完形のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲと等価な配光分布を形成した。同様に、左上領域に１０個、右下領域に１０個の合計２０個の部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′，２２ＴＲ′は、ほぼ１０個の完形のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲと等価な配光分布を形成した。
【００７８】
一方、上記と同じ寸法関係において、図４に点線で示す配列態様とした場合には、レンズ領域の全計数は２８４個となり、そのうちの約３２個が部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′，２２ＴＲ′となった。この場合には、完形のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲとは大きく異なる形状の部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′，２２ＴＲ′がレンズ範囲の外周部分の右上領域に約８個、左下領域に約８個生じた。これらの合計１６個の部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′，２２ＴＲ′は、相互に補完し合うことにより、ほぼ８個の完形のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲと等価な配光分布を形成した。同様に、左上領域に８個、右下領域に８個の合計１６個の部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′，２２ＴＲ′は、ほぼ８個の完形のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲと等価な配光分布を形成した。
【００７９】
なお、出射面１２，２２内において、完全な領域の平面形状を有する上記トロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲのみを形成し、レンズアレー範囲１２ＡＲ′，２２ＡＲ′内における完形領域配列範囲１２ＡＲの外周側の範囲には、完形領域配列範囲１２ＡＲ内に形成した上記トロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲと異なる（相似形が好ましい。）領域の平面形状を有する、より小さいが完形の領域の平面形状を有するトロイダルレンズ領域を形成することにより、部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′、２２ＴＲ′が形成された面積や平坦な表面を備える上記外周側の範囲の面積を低減するようにしてもよい。
【００８０】
上記各実施形態では、複数のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲ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、個々のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ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１０，２０の全体としても、当該基本条件を充足する配光分布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１２，２２の光軸１０ｘ、２０ｘ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トロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲが縦横に配列される場合、すなわち、光軸１０ｘ、２０ｘ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、単一のトロイダルレンズで構成する場合には、その内部の或る場所に、上記無入射区域や不良集光区域が生じたり、或いは、気泡などの物理的な不良個所が形成されると、当該場所に対応する配光分布に直ちに不良個所が生ずることになる。しかし、本実施形態では、トロイダルレンズアレー構造を設けることにより、複数のトロイダルレンズ領域１２ＴＲから出射される配光分布が合成されることで全体の配光分布が形成されるため、上記のような配光分布の不良が生じにくくなるから、レンズ及び灯具の不良率を低減できる。
【００８１】
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実施形態のレンズ３０の設計においては、最初に、上述のトロイダル面ＳＵの設計と同様の方法により、レンズ１０，２０の上記レンズアレー範囲１２ＡＲ′，２２ＡＲ′に対応するフレネルレンズ面範囲３２ＡＲ′の全体において、所望の配光分布を備える単一のトロイダル面ＳＵ′を有するトロイダルレンズを設計する。そして、この単一のトロイダル面ＳＵ′の面データを所定の光学ソフトなどを用いて光軸３０ｘを中心とする同心楕円状プリズム構造により構成されるフレネルレンズ面に変換する。これにより、上記トロイダル面ＳＵ′と同じ配光分布を備えたレンズ面（以下これを「トロイダルフレネルレンズ面」という）３２ＴＲを設計し、これをコリメーターの出射面３２上に備えたレンズ３０とすることができる。トロイダルレンズをフレネル化する際のフレネルの輪帯を図１２（ａ）に示す。この図において、光軸３０ｘと実質的に平行な面である抜き勾配の部分を実線の太さで示す。また、屈折面となる光屈折領域は実線と実線の間の領域になる。輪帯はこの様に複数の同心楕円状として描かれる。本発明の第３実施形態では、これを図１２（ａ）のように円形で切出した範囲を、上記レンズアレー範囲１２ＡＲ′、２２ＡＲ′の代わりに、図１２（ｂ）に示すようにトロイダルフレネルレンズ面３２ＴＲを備えたフレネルレンズ範囲３２ＡＲ′とするものである。図１２（ｂ）のフレネルレンズ範囲３２ＡＲ′に着目して考えると、垂直軸方向（仰角方向）は水平軸方向（方位角方向）に比べて輪帯の数が少ない（輪帯の密度が小さい）。これからわかるように、この場合、仰角方向には光線はあまり振れず、方位角方向にはより広く振れることになり、制動灯等の車両用灯の配光分布に対応した形となる。ここで、このトロイダルフレネルレンズ面３２ＴＲは、光軸３０ｘを中心とする複数の輪帯、すなわち、複数の同心楕円状プリズム構造３２ＰＺによって構成される。したがって、出射面３２上の高低差を小さくすることができるので、先の各実施形態と同様に、レンズ３０の薄型化を図ることができる。なお、この実施形態においても、入射面のコリメーター構造は第１及び第２実施形態と同様に構成できる。また、上記と同様に光軸３０ｘ上の前記コリメーターの焦点位置を基準とする入射角θについてｃｏｓθの４乗に比例する光束の密度分布を前提として上記単一のトロイダル面ＳＵ′を設計してもよい。また、上記トロイダルフレネルレンズ面３２ＴＲ（フレネルレンズ面範囲３２ＡＲ′）の外周側に外周レンズ部１３，２３等と同等の外周レンズ部３３を形成することができる。さらに、当該トロイダル面ＳＵ′のレンズ面形状は、上記トロイダル面ＳＵのレンズ面形状に関して本明細書に記載されている全ての特徴を備えることができる。
【００８２】
なお、先の第１及び第２実施形態の上記レンズ１０，２０の上記レンズアレー範囲１２ＡＲ′，２２ＡＲ′内に複数のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲを設ける場合において、各トロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲを、各領域の中心軸（対応ポイントＴ１）を中心とする複数の同軸状のプリズム構造によって構成される、領域毎のトロイダルフレネルレンズ面によって構成することも可能である。このように構成することにより、レンズ１０，２０のさらなる薄肉化を図ることができる。この構成は、特に、比較的大径のレンズにおいて有利である。
【００８３】
また、以上の各実施形態では、デテクタ面ＤＴ上の条件設定範囲ＳＤの外側範囲を含む広角範囲の配光特性の追加条件をも充足するために外周レンズ部１３，２３，３３を設けたことにより、条件設定範囲ＳＤ内の配光分布の設計容易性を維持しつつ、広角範囲の配光特性の充足性を容易に実現できる。さらに、出射面にトロイダルレンズアレー若しくはトロイダルフレネルレンズ面を構成することにより、入射面のコリメーター構造の透視性を低減できるので、より均質で良好な外観を得ることができる。この効果も、複数のトロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲが光軸１０ｘ、２０ｘ、３０ｘ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。
【００８４】
さらに、上記各実施形態では、入射面１１，２１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１０，２０，３０内の伝搬光を平行光ＰＬとすることにより、上記トロイダル面ＳＵ，ＳＵ′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１０，２０，３０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。
【００８５】
尚、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１０，２０，３０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、トロイダル面ＳＵ，ＳＵ′のレンズ面形状としては、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。
【００８６】
【数１５】
2019219438.tif 000020
【００８７】
【数１６】
2019219438.tif 000021
【００８８】
【表４】
2019219438.tif 000022
【００８９】
また、複数のトロイダルレンズ領域の配列態様は、上記のような平面充填性を有する態様であることが好ましいが、当該態様でなくてもよい。さらに、当該配列態様は、各種のブロック積みのように種々の態様（互い違いに積む態様、列間をずらして積む態様、縦と横の姿勢を変えて積む態様、くの字状に積む態様、Ｔの字状に積む態様など）であってもよい。
【００９０】
トロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲが配列される上記完形領域配列範囲１２ＡＲ，２２ＡＲ（２２ＡＲは図示せず）の外周側に、部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′，２２ＴＲ′を配列させることにより、レンズアレー範囲内に高密度にトロイダル面を構成することができるため、配光分布の精度や配光効率の向上を図ることができる。特に、上記各実施形態のように、トロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲ及び部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′，２２ＴＲ′が配列されたレンズアレー範囲の平面形状を円形に構成し、当該円形の中心の周りに対称的にトロイダルレンズ領域１２ＴＲ，２２ＴＲ及び部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′，２２ＴＲ′を配列させることにより、複数の部分トロイダルレンズ領域１２ＴＲ′，２２ＴＲ′同士の組み合わせによる光学特性の補完作用を実現できるため、適正な配光分布を形成できるとともに、配光効率も向上できる。ここで、上記レンズ３０のように、出射面３２上にトロイダルフレネルレンズ面３２ＴＲを形成する場合においても、当該トロイダルフレネルレンズ面３２ＴＲ（フレネルレンズ面範囲３２ＡＲ′）の平面形状を光軸３０ｘを中心とする円形に構成することが、適正な配光分布を形成するとともに配光効率を高める上で好ましい。
【００９１】
なお、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。
【符号の説明】
【００９２】
１…発光素子、１ａ…発光部、１０，２０，３０…レンズ、１１，２１…入射面、１２，２２，３２…出射面、１２ＴＲ，２２ＴＲ…トロイダルレンズ領域、３２ＴＲ…トロイダルフレネルレンズ面、１２ＴＲ′，２２ＴＲ′…部分トロイダルレンズ領域、１２ＡＲ…完形領域配列範囲、１２ＡＲ′，２２ＡＲ′…レンズアレー範囲、３２ＡＲ′…フレネルレンズ範囲、１３，２３，３３…外周レンズ部、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
【図１】
2019219438.tif 000023
【図２】
2019219438.tif 000024
【図３】
2019219438.tif 000025
【図４】
2019219438.tif 000026
【図５】
2019219438.tif 000027
【図６】
2019219438.tif 000028
【図７】
2019219438.tif 000029
【図８】
2019219438.tif 000030
【図９】
2019219438.tif 000031
【図１０】
2019219438.tif 000032
【図１１】
2019219438.tif 000033
【図１２】
2019219438.tif 000034