(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線を発射する光源と、
前記光源から発射される前記光線を所定の配光形状及び所定の輝度分布を有する再生光に変換するホログラム素子と、
前記ホログラム素子から入射する前記再生光を吸収して可視光を放射する蛍光体を含む蛍光体プレートと、
前記蛍光体プレートから放射される前記可視光を集光して前方に照射するレンズと
を有する車両用前照灯光学系であって、
前記蛍光体プレートは、前記レンズの焦点位置近傍に配置され、
前記ホログラム素子は、前記蛍光体プレートの前段に、かつ、前記光源の光軸上及び前記レンズの光軸上に配置され、
前記光源から発射される前記光線は、前記レンズの光軸に対して所定角度で前記ホログラム素子に入射する車両用前照灯光学系。
【請求項２】
前記光源から発射される前記光線は、中心波長が４５０ｎｍ以下であり、
前記蛍光体は、紫外から青色までの波長領域の光を吸収して、可視光を放射する請求項１記載の車両用前照灯光学系。
【請求項３】
前記蛍光体は、前記輝度分布に対応して、密度分布又は厚さ分布を有している請求項１又は２記載の車両用前照灯光学系。
【請求項４】
光線を発射する光源と、前記光源から発射される前記光線を所定の配光形状及び所定の輝度分布を有する再生光に変換するホログラム素子と、前記ホログラム素子から入射する前記再生光を吸収して可視光を放射する蛍光体を含む蛍光体プレートと、前記蛍光体プレートから放射される前記可視光を集光して前方に照射するレンズとを有する車両用前照灯光学系であって、前記蛍光体プレートは、前記レンズの焦点位置近傍に配置され、前記ホログラム素子は、前記蛍光体プレートの前段に、かつ、前記光源の光軸上及び前記レンズの光軸上に配置され、前記光源から発射される前記光線は、前記レンズの光軸に対して所定角度で前記ホログラム素子に入射する車両用前照灯光学系の製造方法であって、
前記ホログラム素子を干渉系の撮影により作製することを特徴とする車両用前照灯光学系の製造方法。
【請求項５】
光線を発射する光源と、前記光源から発射される前記光線を所定の配光形状及び所定の輝度分布を有する再生光に変換するホログラム素子と、前記ホログラム素子から入射する前記再生光を吸収して可視光を放射する蛍光体を含む蛍光体プレートと、前記蛍光体プレートから放射される前記可視光を集光して前方に照射するレンズとを有する車両用前照灯光学系であって、前記蛍光体プレートは、前記レンズの焦点位置近傍に配置され、前記ホログラム素子は、前記蛍光体プレートの前段に、かつ、前記光源の光軸上及び前記レンズの光軸上に配置され、前記光源から発射される前記光線は、前記レンズの光軸に対して所定角度で前記ホログラム素子に入射する車両用前照灯光学系の製造方法であって、
前記ホログラム素子を計算設計された加工により作製することを特徴とする車両用前照灯光学系の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用前照灯光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ハロゲン、ＨＩＤ、ＬＥＤなどの非コヒーレント系の光源を用いた車両用前照灯光学系が知られている。車両の前照灯として用いられる光学系においては、走行ビーム配光パターンやすれ違いビーム配光パターンを形成する必要がある。従来の車両用前照灯光学系では、光源の周囲に配置されたリフレクタの反射面などにより配光パターンを作り、光源の光をそこに反射させて、投影レンズを介して前方に反転投影させている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、ホログラム光学素子を投影レンズの前方に配置して、屈折により前照灯の照射領域を拡大して、所望の配光パターンを形成することが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１５２９８０号公報
【特許文献２】特開平０５−１３９２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、小型でかつ製造コストを抑えた車両用前照灯光学系を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一観点によれば、車両用前照灯光学系は、光線を発射する光源と、前記光源から発射される前記光線を所定の配光形状及び所定の輝度分布を有する再生光に変換するホログラム素子と、前記ホログラム素子から入射する前記再生光を吸収して可視光を放射する蛍光体を含む蛍光体プレートと、前記蛍光体プレートから放射される前記可視光を集光して前方に照射するレンズとを有し、前記蛍光体プレートは、前記レンズの焦点位置近傍に配置され、前記ホログラム素子は、前記蛍光体プレートの前段に、かつ、前記光源の光軸上及び前記レンズの光軸上に配置され、前記光源から発射される前記光線は、前記レンズの光軸に対して所定角度で前記ホログラム素子に入射する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば小型でかつ製造コストを抑えた車両用前照灯光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施例による照明用光学系１００の一例を表す概略図である。
【図２】図１に示す照明用光学系１００におけるホログラム光学素子３及び蛍光体プレート４を表す概略斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施例によるホログラム光学素子３を作製するための光学分割系干渉露光装置の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の第１の実施例の変形例による照明用光学系の一例を表す概略図である。
【図５】本発明の第１の実施例の変形例による照明用光学系の他の例を表す概略図である。
【図６】本発明の第２の実施例による照明用光学系２００の一例を表す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の第１の実施例による照明用光学系１００の一例を表す概略図である。図２は、図１に示す照明用光学系１００におけるホログラム光学素子３及び蛍光体プレート４を表す概略斜視図である。
【００１０】
照明用光学系１００は、例えば、車両用のプロジェクター型前照灯（ヘッドライト）等の照明器具であり、少なくとも、カバー１、光源２、ホログラム光学素子（回折光学素子）３、蛍光体プレート４、プロジェクターレンズ（投影レンズ）５及び遮光膜（カットオフパターン）６を含んで構成される。光源２、ホログラム光学素子３、蛍光体プレート４、プロジェクターレンズ（投影レンズ）５は、それぞれカバー１に保持されている。
【００１１】
光源２は、半導体レーザダイオード（ＬＤ）等の高出力レーザであり、例えば、ホログラム光学素子３の表面に対して所定の角度θの方向から、中心波長４０５ｎｍの青色レーザ（照明光）１０を照射する。なお、光源２としては、高出力のＬＥＤを用いることもできる。また、中心波長は４０５ｎｍに限らず、他の青色や紫外線（３７５ｎｍなど）でも良いが、中心波長４５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
ホログラム光学素子３は、光源２の光軸上に配置され、波面変換機能を有している。波面変換機能は、光源２から照射される短波長レーザ（照明光）１０を所望の配光パターン（ヘッドライトに要求される配光状態）を有する再生光１１に変換する機能である。本実施例では、ホログラム光学素子３により、再生光１１の配光の形状だけでなく、輝度分布も作成可能である。なお、ホログラム光学素子３には、ナノレベルの加工がなされており、青色レーザ光に光強度の分布を持たせるとともに、所定のカットオフ形状にすることが可能である。ホログラム光学素子３は、図３に示す光学分割系干渉露光装置３００による撮影で作製される。作製方法の詳細については、図３を参照して後述する。
【００１３】
蛍光体プレート４は、ホログラム光学素子３の後段であり、かつプロジェクターレンズ５の焦点位置近傍に配置される。蛍光体プレート４は、樹脂やガラス等の透明基板に蛍光体４１を塗布したもの、又は樹脂やガラス等の透明基板に蛍光体４１を混ぜ込んだものである。本実施例では、ガラス基板に蛍光体４１を混ぜん込んだものを蛍光体プレート４として使用した。
【００１４】
蛍光体プレート４の透明基板は、ガラスもしくはできるだけ耐熱性、耐光性の高い樹脂を用いる。樹脂としては、例えば、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、シリコーン、ポリカーボネート、ポリスチレン、アクリル、エポキシ樹脂等のプラスチック等を用いることができる。
【００１５】
蛍光体４１としては、紫外から青色までの波長領域の光を吸収して可視光を放射する材料が用いられ、好ましくは、青色もしくは紫外波長に対して黄色もしくは青色と赤色に発光する材料である。黄色に発光する材料としては、例えば、ＹＡＧ系蛍光体材料がある。その他、例えば、珪酸塩系蛍光体材料、アルミン酸塩系蛍光体材料、窒化物系蛍光体材料、硫化物系蛍光体材料、酸硫化物系蛍光体材料、硼酸塩系蛍光体材料、燐酸塩硼酸塩系蛍光体材料、燐酸塩系蛍光体、及びハロリン酸塩系蛍光体材料等の蛍光体材料を使用可能である。
【００１６】
なお、蛍光体プレート４の厚さ（蛍光体を塗布する場合は蛍光体の塗布厚）、及び蛍光体４１の密度は、光源２から照射される光の量に応じて最適化することが望ましい。蛍光体プレート４から出射される光は白色であることが望ましいため、光源２の青色が残る厚さと密度が好ましいとともに、例えば、すれ違いビーム配光（ロービーム配光）状態は中央部が明るいため、中央部の蛍光体の密度を高くするもしくは厚みを厚くすることが望ましい。このように、蛍光体プレート４の厚さ（蛍光体を塗布する場合は蛍光体の塗布厚）、及び蛍光体４１の密度を再生光１１の輝度分布に応じて変えることで、その方向でも白色の光を得ることができる。
【００１７】
なお、図２では、すれ違いビーム配光（ロービーム配光）状態の明るい中央部に対応する蛍光体プレート４の下半分程度の部分の蛍光体４１の密度が高いことを現すために、黒丸で蛍光体４１を表し、上半分程度の比較的暗い部分は白丸で蛍光体４１を表した。また、右下のカットオフライン以下の部分は蛍光体４１が配置されていない。
【００１８】
プロジェクターレンズ（投影レンズ）５は、凸レンズであり、蛍光体プレート４から出射される再生光１１を集光して前方に投影する。
【００１９】
遮光膜（カットオフパターン）６は、例えば、すれ違いビーム配光（ロービーム配光）状態において、再生光１１の一部を遮ることにより不必要な光をカットして、カットオフラインを形成する。遮光膜６は、必須の構成ではなく、ホログラム光学素子３のみで、再生光１１を必要なカットオフ形状に配光可能な場合には、省略が可能である。
【００２０】
以上の構成において、光源２を点灯させると、レーザ光（照明光）１０が、ホログラム光学素子３に所定の角度θで照射され、ホログラム光学素子３を透過した光（再生光）１１は、所定の光学像を結像する。その光学像は、光学分布を持った状態で蛍光体プレート４に投影される。蛍光体プレート４に投影された青い光である再生光１１は、蛍光体４１を照射し、その一部は黄色もしくは緑色と赤色に発光する（光源２の青色も残っているため、全体としては白色に発光する）。蛍光体プレート４は、プロジェクターレンズ５の焦点付近に配置されているため、そこでの白色発光像は、プロジェクターレンズ５を通って、前方に反転投影される。
【００２１】
図３は、本発明の第１の実施例によるホログラム光学素子３を作製するための光学分割系干渉露光装置３００の一例を示す概略図である。図中、それぞれの矢印は光線の進行方向を示す。以下、光学分割系干渉露光装置３００を用いたホログラム光学素子３の作製方法について説明する。
【００２２】
まず、ガラス基板などの透明基板３４に感光性モノマー（光を受けてポリマーとなるもの）３５を貼り合わせたものを用意する。感光性モノマー３５としては、例えば、デュポン製フォトポリマーＯｍｎｉｄｅｘや、他のフォトポリマー（銀塩乳剤等）を用いることができる。本実施例では、青色の波長に感度を持つフォトポリマーを用いた。
【００２３】
レーザ光源２１は、図１に示す光源２と同じ発光波長（例えば、４０５ｎｍ）を有するレーザ発振器である。なお、レーザ光源２１は、図１に示す光源２と同じ発光波長の±１０ｎｍ以内が好ましい。レーザ光源２１から発振されたレーザ光線１２は、ハーフミラー２２に４５度の角度で入射し、２つの光線１３、及び光線１４に分割される。
【００２４】
光線１３は、必要に応じて反射鏡２３によって反射された後に、コリメータ（ビームエキスパンダ）４０に入射する。コリメータ４０は、収束レンズ２４と、ピンホール２５と、コリメータレンズ２６とによって構成される。
【００２５】
コリメータ４０に入射した光線１３は、まず収束レンズ２４によって収束され、ピンホール２５内に位置する焦点を通過した後に発散して、コリメータレンズ２６に入射する。コリメータレンズ２６に入射した光線１３は、平行光線に変換されてホログラム作製用の参照光１３となる。
【００２６】
参照光１３は、感光性モノマー３５の表面に角度θで入射する。ここでの入射角θは、図１の照明用光学系１００における光源２の入射角度と同一とすることが好ましい。
【００２７】
一方、ハーフミラー２２で分割された光線１４は、反射鏡２７及び反射鏡２８により反射されて、物体光光学系５０に入射する。物体光光学系５０は、収束レンズ２９と、ピンホール３０と、凸レンズ３１とによって構成される。
【００２８】
物体光光学系５０に入射した光線１４は、まず収束レンズ２９によって収束され、ピンホール３０内に位置する焦点を通過した後に発散して、凸レンズ３１に入射する。凸レンズ３１に入射した光線１４は、さらに発散して、リフレクターミラー３２に入射する。
【００２９】
リフレクターミラー（ロービーム配光形成反射鏡）３２からの反射光はホログラム作製用の物体光１５となり、感光性モノマー３５の表面に法線方向から入射する。リフレクターミラー（ロービーム配光形成反射鏡）３２は、所望の配光状態の反射光を得るための反射鏡であり、本実施例では、すれ違いビーム（ロービーム）に必要な配光状態を得るための反射鏡である。
【００３０】
感光性モノマー３５に入射した参照光１３と物体光１５とは、互いに干渉する。参照光１３及び物体光１５それぞれの位相情報及び振幅情報が、これらの光の干渉縞として感光性モノマー３５に記録される。なお、感光性モノマー３５に入射する参照光１３と物体光１５の光強度比は、２：１から１０：１程度が望ましく、光強度の和は１ｍＪ／ｃｍ２、照射時間は３０秒にて行った。
【００３１】
なお、本実施例で用いたデュポン製フォトポリマーＯｍｎｉｄｅｘは、１２０℃にて２時間熱処理することにより、回折効率を高くすることができる。
【００３２】
以上のようにして、ホログラム光学素子３が完成する。このようにして得られたホログラム光学素子３に角度θからレーザ光（もしくはＬＥＤの光）を照射すると、その再生光は光源とは反対側の法線方向にリフレクターミラー３２で作られた光学像（ロービーム配光状態）が得られる。
【００３３】
以上、本発明の第１の実施例によれば、光源２からのレーザ光１０を、体積ホログラムを用いたホログラム光学素子３により効率よく所望の配光パターン（例えば、ロービーム用の配光パターン）に変換することができる。
【００３４】
また、本発明の第１の実施例によれば、蛍光体プレート４の厚さ（蛍光体を塗布する場合は蛍光体の塗布厚）、及び蛍光体４１の密度を、光源２から照射される光の量に応じて変化させるので、どの方向においても白色光を得ることができる。
【００３５】
また、本発明の第１の実施例によれば、ホログラム光学素子３を用いて配光パターンを形成するので、照明用光学系（ヘッドライト）１００を小型化することができる。
【００３６】
さらに、本発明の第１の実施例によれば、光源２として単色レーザを用いることができるので、照明用光学系（ヘッドライト）１００の製造コストを抑えることが可能となる。
【００３７】
なお、図１に示す蛍光体プレート４は、図４に示すように、プロジェクターレンズ（投影レンズ）５の焦点距離にあわせて、蛍光体プレート４ｂの中央部分７ａを、湾曲させても良い。さらに、図５に示すように、蛍光体プレート４ｃの中央部分７ｂを、ホログラム光学素子３から出射される再生光１１の輝度分布にあわせて厚くしても良い。また、蛍光体プレート４の中央部分を、プロジェクターレンズ（投影レンズ）５の焦点距離にあわせて半球状に膨らませても良い。図４及び図５に示すような形状の蛍光体プレート４ｂ又は４ｃを用いる場合は、ガラスもしくは樹脂材料に熱を加えて液状にし、蛍光体材料を混合攪拌しながら型に流し込んで作製することができる。
【００３８】
図６は、本発明の第２の実施例による照明用光学系２００の一例を表す概略図である。
【００３９】
第２の実施例では、ホログラム光学素子８を第１の実施例によるホログラム光学素子３とは異なる方法で作製し、それに伴い、光源２からのレーザ光のホログラム光学素子８への入射角を変更した。それ以外の部分は、第１の実施例と同様である。以下、第１の実施例と異なる部分についてのみ説明する。
【００４０】
第２の実施例では、ホログラム光学素子８を第１の実施例のような光学分割系の干渉露光装置による撮影ではなく、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  Ｈｏｌｏｇｒａｍ）を用いて作製した。
【００４１】
ホログラムは３次元の情報を記憶するが、光の干渉をシミュレートすることにより、計算機で作成することができる。本実施例では、光学設計を市販の回折光学設計ツール（ソフトウェア）を用いた計算で行った。光学設計の計算では、光源の情報（ニアフィールド、ファーフィールド）と、結果として得たい光学像（出力形状分布、輝度分布）情報を入力してシミュレーションすることで、最適な位相分布を得ることができる。
【００４２】
位相分布はミクロンオーダーもしくはサブミクロンオーダーの凹凸の分布であり、その加工にはレーザ描画法、電子ビーム描画法などを用いることができる。なお、機械切削、干渉露光装置なども活用可能である。
【００４３】
一度、元となる加工を行えば、その形状は金型で反転転写して作成することもできるため、安価にホログラム光学素子８を量産することが可能となる。位相分布を表す凸凹の断面形状は２段階以上の厚さ分布を持っていれば良く、好ましくは８段階程度の階段状の形状である。なお、レーザ描画機などを用いれば、連続的に厚さが変わる断面形状も形成できるため理想的である。
【００４４】
金型などから位相分布を表す凸凹を反転転写する材料としては、光硬化性樹脂（アクリル系もしくはエポキシ系など）を用いた。本実施例で用いた樹脂材料は耐熱性が高く、２００℃以上の熱処理に対しても透過率の変化がほとんど見られず（黄変することなく）、９０％以上の高い透過率を示した。また、本実施例で用いた樹脂材料はガラスへの密着性も優れているため、硬化性樹脂と貼り合わせる基板には、ガラス基板を用いた。
【００４５】
このようにして作製した第２の実施例のホログラム光学素子８も、第１の実施例によるホログラム光学素子３と同様に、光源２から照射されるレーザ光線を所定の輝度分布（例えば、ロービーム配光状態に適した輝度分布）と所定の配光形状（例えば、ロービーム配光状態に適した配光形状）を有する再生光に変換可能である。ホログラム光学素子８から照射される再生光は第１の実施例と同様に、蛍光体プレート４及びプロジェクターレンズ５を介して前方に反転投影される。
【００４６】
また、この第２の実施例のようにＣＧＨで作製したホログラム光学素子８では、０次光（回折されずにホログラム光学素子をそのまま透過した光源の光）をほとんど無くすことができるので、図６に示すように、再生光がホログラム光学素子８の法線方向から入射するように光源２を配置することができる。なお、この場合、０次光が残ったとしても、０次光の方向を配光パターン中で最も輝度が高い方向となるように設計することで、０次光を活用することができる。
【００４７】
また、ＣＧＨで作製したホログラム光学素子８では、カットオフパターンも含めた光学像を再生できるため、図１の遮光膜６は必ずしも必要ではなくなる。したがって、遮光膜６を用いる場合に比べて、光利用効率を高めることができる。
【００４８】
以上、本発明の第２の実施例によれば、光源２からのレーザ光１０を、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ）を用いて作製したホログラム光学素子８により、効率よく所望の配光パターン（例えば、ロービーム用の配光パターン）に変換することができる。
【００４９】
また、本発明の第２の実施例によれば、第１の実施例と同様に、蛍光体プレート４の厚さ（蛍光体を塗布する場合は蛍光体の塗布厚）、及び蛍光体４１の密度を、光源２から照射される光の量に応じて変化させるので、どの方向においても白色光を得ることができる。
【００５０】
また、本発明の第２の実施例によれば、ホログラム光学素子８を用いて配光パターンを形成するので、照明用光学系（ヘッドライト）２００を小型化することができる。
【００５１】
さらに、本発明の第２の実施例によれば、光源２として単色レーザを用いることができるので、照明用光学系（ヘッドライト）２００の製造コストを抑えることが可能となる。また、ホログラム光学素子８を反転転写して作成することができるため、さらに照明用光学系（ヘッドライト）２００の製造コストを抑えることが可能となる。
【００５２】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００５３】
本発明の各実施例による照明用光学系は、車両用ヘッドライト及びテールライト、フォグランプ、懐中電灯、一般照明、スポットライト、舞台照明、特殊照明、車両用インテリア・エクステリア照明等の各種照明機器等への応用が行える。
【符号の説明】
【００５４】
１…カバー、２…光源、３、８…ホログラム光学素子（回折光学素子）、４…蛍光体プレート、５…プロジェクターレンズ（投影レンズ）、６…遮光膜（カットオフパターン）、１０…青色レーザ（照明光）、１１…再生光、１２…レーザ光線、１３…光線（参照光）、１４…光線、１５…光線（物体光）、２１…レーザ光源、２２…ハーフミラー、２３…反射鏡、２４…収束レンズ、２５…ピンホール、２６…コリメータレンズ、２７、２８…反射鏡、２９…収束レンズ、３０…ピンホール、３１…凸レンズ、３２…リフレクターミラー、３４…透明基板、３５…感光性モノマー、４０…コリメータ、４１…蛍光体、５０…物体光光学系、１００、２００…照明用光学系（ヘッドライト）、３００…光学分割系干渉露光装置
【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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