(57)【要約】本発明は、非対称な照明特性及び明瞭な明暗限界を有し、ならびに半導体光源から出力される放射力のほとんど全部を用いる新しい投光器に関する。このために、投光器は、新しい形状を有する光学素子が設けられた個々の半導体光源の領域から構成される。前記光学素子は、できるだけ平坦な形状を有しており、光学素子の光入射入口が細長く本質的に矩形の形状を有するようになっている。さらに、光学素子は、光入射表面（Ｆ）と垂直に中央領域を備え、前記中央領域の２次元平面への投影図は、円筒形の２次元のデカルトの卵形線に対応する。本発明によれば、半導体光源から放出される光をより良く用いるために、デカルトの卵形線の形状である光学素子の光出射表面（Ｇ）を、放物線反射器（Ａ、Ｂ）と組み合わせる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
いずれの場合も少なくとも１つの半導体光源、特に発光ダイオードに割り当てられた個々の光学素子のアレイによって形成された、特に自動車で用いるための照明装置であって、
前記光学素子の光入射開口部が、細長く本質的に矩形の形状を有し、
前記光学素子は、光入射領域と垂直に、２次元平面への投影図が円筒形の２次元のデカルトの卵形線に対応する中央領域を有し、
前記中央領域が、放物線反射器と組み合わされていることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記反射器の外側領域Ａ及びＢが、前記光学素子から出て行くすべてのビームが実質的に平行となるように、前記光学素子の前記中央領域の方向に回転されたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記反射器の外側領域Ａ及びＢが、それらが鏡面被覆されるか又は全体的に反射性となるように具体化されたことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記光学素子が光出射領域Ｇから光入射領域Ｆに向かって先細りになるように、前記光学素子の側面領域Ｅが傾いていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項５】
前記側面領域が、大きな受入角度がビーム方向に形成されるように、特に鏡面被覆又は湾曲によって形成されたことを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
【請求項６】
前記個々の光学素子の前記光入射領域の断面が、矩形の形状から逸脱して、台形の形状を有し、前記台形の形状の側面領域は、底辺領域の法線に対して角度α及びβだけ傾いていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項７】
前記個々の光学素子の少なくとも１つが、複数の半導体光源に割り当てられたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項８】
前記個々の半導体光源を個別に切り替えできることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項９】
前記光学素子及び前記半導体光源が、互いに対して移動可能となるように配置されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記半導体光源を所望の放射特性に応じて個別に駆動することができ、この場合、前記半導体源を全体として又は部分的に作動できることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の照明装置の駆動方法。
【請求項１１】
複数の半導体光源が個々の光学素子に割り当てられる場合に、それらを所望の放射特性に応じて駆動することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記照明装置の放出特性を変えるために、レンズ及び前記半導体光源を互いに対して移動させることを特徴とする請求項１０あるいは１１に記載の方法。
【請求項１３】
自動車前方の周辺領域の非対称照明用の自動車ヘッドライトとしての、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の照明装置の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１及び１０の前段による、非対称な照明特性を有するＬＥＤヘッドライト及びそのようなヘッドライトの作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通行中の車両を制御することは、要求の多い極めて活動的な作業である。それは、運転者の視覚、認識処理、及び運動神経に対して、かなりの要求を課す。文献においては、交通に関係する情報の約９０パーセントが視覚によって得られるというのが一般的な共通認識である。したがって黄昏どき及び暗いとき及び自然光が不十分である天気概況のときには、交通区域の照明を良好なものにすることが重要である。ヨーロッパの道路における非対称の低ビーム光に対して現在でもなお有効であるＥＣＥ規格では、良好な視野と、他の道路ユーザに対する邪魔をできるだけ小さくすることとの間の妥協について説明されている。車両ヘッドライトは、それにより放出光が成形された結果、放出光の重ね合わせによって、車両ヘッドライトの所定の光分布が生成されるように設計される。特に、明確な明暗の境界の形成及び照明の非対称特性が、対向車の目をくらませるのを回避するために必要である。
【０００３】
特許文献１に記載された照明システムでは、半導体レーザ・アレイあるいは個々の半導体レーザの光ビームに対する偏向装置を用いて、道路交通において必要な明確な明暗の境界及び非対称特性を有する照明特性を形成している。しかし光の集中のために必要であるが振動に関してはそれほど堅固ではない高価なレーザ光源を用いることは、この場合、経済的に実用的な実現を行なうという可能性に関しては不利である。
【０００４】
費用効果の高いＬＥＤ光源に基づいて実現されるヘッドライトが、特許文献２に開示されている。この場合、個々の発光体のアレイを使用し、個々の発光体のそれぞれの前方に少なくとも１つの光学素子を配置することによって、発光特性が可変なヘッドライトが実現されている。前記光学素子はそれぞれ、個々の光素子から放出される個々の光ビームに影響を与えるために、個々の素子に対して３つの空間方向すべてに移動させることができる。このようにして、ヘッドライトから放出されるビーム束の可変制御を実現することができる。しかし、開口角が大きく又使用されるＬＥＤ光学素子に特有である回転対称の光分布では、明暗の境界が明確で道路交通の規格と一致する光分布を形成することはできない。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６１４４１５８Ａ号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０００５７９５Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって本発明の目的は、費用効果高く製造可能で非対称な照明特性を有し、同時に、明暗の境界が明確で、またこの場合に、半導体光源から放出される放射力全体を可能な限り利用する照明装置を見出すことである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、特許請求項１及び１０の特徴を有する照明装置及びこのような装置を作動させることに適した方法によって実現される。本発明の有利な改良点及び発展は、従属項によって示される。以下、例示的な実施の形態及び図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
【０００８】
照明光学素子は、個々の光学素子のアレイによって形成される。この場合、個々の光学素子は、本発明ではできるだけ平坦に具体化されており、その結果、光学素子の光入射開口部は、細長く本質的に矩形の形状を有している。この場合、個々の光学素子はそれぞれ、光入射領域と垂直に、２次元平面への投影図が円筒形の２次元のデカルトの卵形線に対応する中央領域を有している。デカルトの卵形線とは、屈折性媒体の界面として、焦点から出て行く光を第２の焦点に、開口角が大きい場合でさえ集光する幾何学的な領域である。半導体光源から出て行く光をさらに良好に利用するために、本発明においては、光学素子の光出射領域（前記光出射領域の形状はデカルトの卵形線の形状である）を、放物線反射器と組み合わせる。
【０００９】
以下、本発明の有利なデザインについて、図面を用いて及び本発明による光学素子の幾何学的配置の数学的な算出に基づいて、詳細に説明する。この場合、ヘッドライト内での光学素子の有利な使用方法から進んで、光源から出て行く光ビームが交わる第２の焦点が無限遠にある場合のみを、すなわちビーム束が平行なビーム束に変換される場合のみを考慮する。こうすることで、システムの数学的な処理が非常に簡単になる。さらに図面は、本発明の有利な改良点及び発展を包括的に明らかにする役目を果たす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
デカルトの卵形線の形状を明確にするために、その輪郭曲線の数学的な算出を以下に示す。この目的のために、図１に、屈折の基礎を形成するビームの幾何学的配置を示す。この場合、光源６０から進む２本の光ビーム２０及び２１が概略的に示されている。この場合、光ビーム２０が表わそうとしているのは、光源６０から垂直に出て進む光であって、光学素子の壁１０において屈折することなく、その光出射領域から出て行く光である。対称的に、光ビーム２１は、半導体光源から角度φで出て行き、壁１０の内側に、法線に対して角度ｄφで入射する。この結果、光ビーム２１は屈折されて、角度αで、光学素子の光出射領域から出て行く。壁１０は、本発明においてデカルトの卵形線の輪郭を有しているため、光ビーム２１は、光学素子から出た後に、未屈折の光ビーム２０と平行に進むように偏向される。図１に示したビーム経路のこの幾何学的配置から、以下の関係が得られる。
α−β＝φ  （１．１）
この場合に、φは極座標の角度であり、αは屈折性媒体からの出射角であり、βは媒体への入射角である。屈折の法則に従い、以下のことが成り立つ。
【数１】
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【００１１】
最初のステップは、光が素子から平行に出ていくことを可能にする所望の入射角βを、φに依存する方法で計算することである。（１．１）及び（１．２）から以下のことが得られる。
【数２】
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求める関数は、以下から計算される。
【数３】
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【００１２】
この関数によって、入射角βが、極座標の角度φの関数として特定される。次のステップで輪郭を計算する。図１から以下のことが得られる。
【数４】
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【００１３】
方程式（１．４）を用いて、微分方程式が得られる。
【数５】
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【００１４】
この方程式は、置換によって解析的な仕方で解くことができる。
【数６】
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【００１５】
これは、図２に示すようなデカルトの卵形線の輪郭１１の方程式を、極座標で求めたものである。この場合に、ｒ０は、角度φ０に対応付けられた半径であり、輪郭の絶対的な寸法を規定する働きをする。言うまでもないことだが、極座標で記述した方程式１．７は、平行座標系に移すこともでき、その結果、以下の方程式（１．８）が得られる。
【数７】
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【００１６】
しかし光学素子は、出射領域が、方程式１．８に従って記述されるデカルトの卵形線の形状を有する場合には、点光源の光を平行にできる角度範囲が限定される。この角度範囲は、全反射の限定範囲によって規定される。図３に、点光源６０に対する光ビーム２１ａ〜ｄのビーム経路、及び結果として生じる臨界角φｇを示す。光学素子の光出射領域の輪郭がデカルトの卵形線の形状であることによって実現されることは、光源６０から臨界角φｇの２倍以内で出て行く光ビーム２１ａ〜ｄ及び２２はすべて、光学素子から平行に出て行くということである。臨界角φｇは、屈折の法則（１．２）において、出射角α＝９０°とすることにより与えられる。この結果、
【数８】
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及び臨界角φｇ=９０°−βとなる。したがってｎ＝１．５の場合、臨界角は４８．２°となる。この開口角の外側での放射は、この素子によって利用することは実際上不可能である。半導体光源は通常、はるかに大きな角度範囲で光を発生するため、光の大部分がこのような素子によって失われる。したがってこの問題点を避けるために、本発明においては、２次元のデカルトの卵形線の形状を本質的に有する照明光学素子を、放物線反射器と組み合わせる。前記反射器も同様に、焦点から出て行く光が平行束に変換されるという特性を有する。この結果、図４に示される素子となる。この素子は、側面領域Ａ、Ｂ及びＥ、ならびに光入射領域Ｆを有する。図４から分かるように、本発明による光学素子は非常に平坦に形成されており、光入射開口部Ｆは本質的に矩形の断面を有し、断面の一方の寸法は、他方よりも著しく小さい。また図１０を参照して後述するように、矩形の断面は、半導体光源６０が全面において光学素子にぴったりと合うように狭く形成されていて有利である。図４に示される本発明による光学素子の３次元構成をより明確にするために、前記光学素子の３次元の端部画像を４つの異なる視野で図４ａに示す。この場合、図中の表現は、主に光学素子の端部を強調しており、また斜線形式で、側面領域Ａ、Ｂ、及び１０（光出射開口部）を示している。
【００１７】
特に有利な方法においては、放物線反射器の外側領域Ａ及びＢが、鏡面被覆されているか、あるいは全体的に反射性となるように構成されていることが考えられる。この結果、光源から出て行く光のほぼ全部が、共通の平行ビーム束に変換されるので、半導体光源の発光効率が可能な限り最適なものとなる。
【００１８】
図５に、本発明による光学素子の側面領域Ｅの投影図を示す。デカルトの卵形線として成形された中央領域の輪郭及びその外側に隣接する放物線反射器の輪郭が、ここに明瞭に認められる。反射器は理想的に構成されており、すなわち領域Ｃ及びＤに対応する輪郭の領域４０ａ及び４０ｂにおいて、ビーム２３ａの光が出て行くときに屈折が生じて、光学素子から出て行くビーム２３ａ及び２１が平行に進むようになっている。この場合、光ビーム２３ａの進路は、放物線の輪郭４１ａ（光学素子の外側領域Ａ及びＢに対応する）を４１ｂに向かう方向へ回転させることによって、影響を受ける。このために、放物線の輪郭４１を所望の角度だけ内側へ回転させて、他の平行ビーム束と平行に進まない光ビーム２３ｘが光学素子から出て行く状況を回避しなければならない。
【００１９】
照明システムの光学素子の本発明による構成の場合、光の偏向及び配向は主に、垂直平面内で起こる。言い換えれば、光が集中されて、水平に進む縞が形成される。図６に、本発明による光学素子から出る光のエネルギー分布を、計算の結果として示す。水平に配置された光学素子から出て行く光の強度プロファイルが、図の上部の偽色彩表現に示されている。その隣及び下方に、ｘ方向及びｙ方向における強度分布が波形として示されている。この結果、光学素子から出て行く光ビームが、ｙ方向で非常に集中していることが明らかである。光学素子から出て行く光強度は、ｘ方向においてもかなりの程度まで、局所的に範囲が定められている。図６が基づくシミュレーションでは、光源が、光学素子の光入射領域Ｆに対して中心に取り付けられていると仮定していた。これについては後で詳述する。しかし光源を光入射領域Ｆの異なる位置に設置することによって、光学素子の照明特性に、目標とする方法で影響を与えることも考えられる
【００２０】
特に有利な方法においては、光学素子が光出射領域Ｇから光入射領域Ｆに向かって先細りになるように、光学素子の側面領域Ｅを傾斜させることで、光スポットの水平幅に影響を与えることができる。図７に、対応する幾何学的配置が示されている。同図では、側面領域Ａ又はＢの方向からの側面図を示している。この場合には、本発明のこの有益な構成では、光学素子の光入射領域Ｆの高さの程度Ｆ１が、その光出射領域１０の高さの程度Ｇ１よりも小さいことが明らかである。このような素子は、特に放物線側面領域も伴うものは、ソーラ技術から知られている（ＣＰＣ、複合放物型集光器）。以下の関係が成り立つ。
【数９】
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ここで、α１及びα２は、光ビーム（２５、２６）が光学素子に取り込まれるか又は光ビームが光学素子から出て行くそれぞれの角度範囲を、記述している。出射領域を大きくすると、光が放出される角度範囲が小さくなることが、方程式（１．８）から明らかである。特に有益な方法においては、光学的な損失を避けるために、できるだけ大きな受入角度をビーム方向に形成することも適切である。これは、鏡面被覆によって、又は対応する側面領域Ｅの湾曲構成によって、そこで全反射が起こるようにすることで、実現することができる。図７では、一例として、破線によって、放物線状湾曲のための側面領域Ｅの湾曲経路を示している。前述した図５にも示した手順によれば、このようにして成形されたデカルトの卵形線の中央領域において、本発明に従って、放物線状に成形された好適な反射器を、光源から放出される光を最適に利用するために、適応させることができる。
【００２１】
本発明による光学素子のさらに有利な構成においては、その光入射領域Ｆの断面は、台形の形状であり（図８に示す）、一般の矩形の形状から逸脱している。この場合、前記台形の形状の側面領域は、水平に対して角度α及びβだけ傾いている。この場合、２つの傾斜角度α及びβを、大きさが等しくなるように、あるいは互いに異なるように選ぶことが考えられる。図６での表現に基づいて、図９に、側面領域が傾いている有利な光学素子から出て行く光のエネルギー分布の計算結果を示す。傾斜角度α及びβは、計算のためにそれぞれ５°及び７°と選択した。本質的に垂直に配置された光学素子から出て行く光の強度プロファイルが、図の上部の偽色彩表現に再び示されている。その隣及び下方には、ｘ方向及びｙ方向の特定の位置における強度分布が波形として示されている。図から明らかに認識できるように、遠距離場における光学素子の放射特性には、図６に示される場合とは反対に、放射方向に垂直な明確な湾曲がある。他方で、この放射特性は、明確な明暗遷移も示している。このシミュレーションでも、光源が、光学素子の光入射領域Ｆに対して中心に取り付けられていると仮定した。
【００２２】
図１０に、本発明による光学素子の光入射領域Ｆの投影図を示す（この場合には矩形の断面）。なお、半導体光源６０は、光学素子の中心に隣接している。一般的な場合に、半導体光源６０は、図１０に示すように、光入射領域の中心に設けられる。この場合、有益な方法においては、光学素子の厚み寸法は、半導体光源６０の寸法をできるだけ少なく超えるように選択される。この結果、光学素子に要求される空間は最適な小さなものとなるため、複数の光学素子を、本発明による照明源内部の非常に小さな空間に収容することができ、その結果、最大の光力が得られる。
【００２３】
半導体光源６０を点Ｐ１とＰ２との間の結合線に沿って移動させることで実現されるのは、光が光学素子から非対称的に出て行くことである。この場合、半導体光源６０を前記結合線に沿った任意の位置に固定して位置付けて、所望の非対称放射特性を得るか、あるいは半導体光源６０の上方に光学素子を移動可能な方法で配置して、半導体光源６０に対して光学素子を適切に移動させることによって、光放出の所望の非対称性を得ることができるようにすることが考えられる。代替案として、移動可能な光学素子の代わりに、複数の半導体光源を、個々の光学素子の光入射領域ＦのＰ１とＰ２との間の結合線に沿って、直接に配列することも考えられる。したがって光学素子から出て行く光の発光特性を、機械的な調整を行なうことなく、単に目標とする電気的な駆動及び選択を行なうだけで変えられて有利である。
【００２４】
本発明による照明装置に対する光学素子の配置に関しては、照明装置の放射特性が非対称になるように、アレイ状に配置された個々の光学素子に対して、個々の半導体光源６０を個別に配置することが都合良く考えられる。しかし補足的な方法において又は代替案として、所望の光放射に適合する個別に成形された光学素子を配置することによって、非対称な放射特性を得ることも考えられる。この場合、光学素子の一部分を矩形の光入射領域Ｆ（図１０に対応する）を伴うように具体化し、光学素子の他の部分を台形の光入射領域Ｆ（図８に対応する）を伴うように具体化することが考えられる。さらに、有益な方法においては、光学素子を、少なくとも部分的に図７に示す構成に従うように具現化することができる。
【００２５】
複数の半導体光源が、照明装置内で少なくともいくつかの個々の光学素子に直接割り当てられる場合には、簡単な方法で、電子制御によって、装置から放出される光錐を旋回させること、又は一般的に、光学素子に割り当てられた複数の半導体光源の個々の１つを駆動することにより照明装置の非対称な照明特性を変化させることが、可能となる。このように個々の光学素子に取り付けられた光源を交替して駆動させることによって、従来技術で移動可能に配置されたレンズ光学素子の場合と同様のビーム旋回が、敏感でそれほど堅固ではない機構に頼る必要なく、得られる。さらにこの有利な構成によって、複雑さを伴うことなく、光学素子群内の個々の光学素子を個別に制御する可能性が得られる。これは、機械的に可変な偏向装置では、経済的に実用的に実現することができない。
【００２６】
照明装置は、目標とする方法で及び状況に適合された方法で周辺領域を照明できるように、半導体光源を暗くすること又は作動及び停止することを、グループ内で一緒に又は個別に他とは関係なく駆動できるように構成されていることが、特に有益である。
【００２７】
特に有利な方法においては、本発明による照明装置は、車両前方の周辺領域を非対称に照明するために、自動車のヘッドライトとして用いることに適している。
【００２８】
有益な方法においては、自動車で用いる場合に、ヘッドライトに割り当てられた個別の光学素子の道路表面に対する配向が、光学素子のｘ軸が道路表面に対して本質的に平行に伸びるようになされる。すなわち、個々の光学素子の配置を、それらが本質的に垂直に位置するように行なう（たとえば図４に対応する）。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】光学素子の光出射領域における屈折の基礎を形成するビームの幾何学的配置を示す図。
【図２】計算の結果得られるデカルトの卵形線の輪郭を示す図。
【図３】点光源から出て行くビーム経路を表わし、光学素子の幾何学的配置に起因する反射の臨界角を示す図。
【図４】本発明による光学素子の３次元の図。
【図４ａ】図４に示した光学素子を、４つの異なる視野での３次元端部画像で示した図。
【図５】反射器の放物線の輪郭が所望通りに適合された本発明による光学素子の断面図。
【図６】本発明による光学素子から出て行く光のエネルギー分布を示す図。
【図７】「複合放物線反射器」に基づく光学素子の代替的な実施の形態の一部の概略を示す図。
【図８】光学素子から出て行く光錐を目標とする方法で湾曲させることができる、光学素子のさらなる代替的な実施の形態の概略を示す図（光入射領域の図）。
【図９】図８による代替的な光学素子のエネルギー分布を示す図。
【図１０】本発明による光学素子における半導体光源の位置決めを説明する図。
【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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【国際調査報告】
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