JP2008078043A - Lens array, illumination device, and illumination system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、予め設定された照射領域を所定の配光で照射するレンズアレイ、照明装置、及び、照明システムに関する。 The present invention relates to a lens array, an illuminating device, and an illuminating system that irradiate a preset irradiation area with a predetermined light distribution.
一般に、発光ダイオード(LED)は、消費電力が小さく長寿命であるという利点を有する。そこで、近年では、LEDを光源として用いた照明装置が数多く提案されている。例えば、特許文献1には、複数のレンズセルがマトリクス状に配列されたフライアイレンズ(レンズアレイ)をLEDに対向配置した照明装置が提案されている。このような技術によれば、LEDからの出射光を指向角30度未満の略平行光に制御して各レンズセルに入射させることにより、レンズセルの平面視形状に相似する特定の照射領域を均一照度で照射することが可能となる。
ところで、近年においては、LEDの高出力化に伴い、車載のヘッドライトやフォグランプ等のように大光量が要求される車両用灯具においても、光源としてLEDを適用することが期待されている。この場合、例えば、セル寸法、レンズ厚、曲率の異なるフライアイレンズを有する上述の照明装置を複数個組み合わせて照明システムを構成し、異なる配光の照明光を重ね合わせることにより、法規上の配光規格を満足する車両用灯具を実現することが考えられる。 By the way, in recent years, it is expected that the LED is applied as a light source even in a vehicular lamp that requires a large amount of light such as an in-vehicle headlight or a fog lamp as the output of the LED increases. In this case, for example, an illumination system is configured by combining a plurality of the above-described illumination devices having fly-eye lenses having different cell dimensions, lens thicknesses, and curvatures, and the illumination light with different light distributions is superposed to regulate the distribution. It is conceivable to realize a vehicular lamp that satisfies the light standard.
しかしながら、上述の照明装置に用いられるフライアイレンズは、一般に、入射面の像を出射面で結び、投影する原理であるため、異なる照明光の重ね合わせの境界で照度値が急激に変化し、視覚上の違和感を与えてしまう虞がある。 However, the fly-eye lens used in the above-described illumination device is generally based on the principle of connecting and projecting the image of the entrance surface with the exit surface, so that the illuminance value changes abruptly at the boundary of different illumination light overlapping, There is a risk of visual discomfort.
本発明は、複数の照明光を重ね合わせた場合にも急激な照度値の変化を発生させることなく全体として違和感のない照明光を生成することができるレンズアレイ、照明装置、及び、照明システムを提供することを目的とする。 The present invention provides a lens array, an illuminating device, and an illumination system that can generate illumination light that does not cause a sense of incongruity as a whole without causing a sudden change in illuminance value even when a plurality of illumination lights are superimposed. The purpose is to provide.
本発明のレンズアレイは、レンズ基板の一方の面にマトリクス状に配列して形成された複数のレンズ曲面と、前記各レンズ曲面に対向して前記レンズ基板の他方の面に形成され、少なくとも1方向の曲率が対向する前記レンズ曲面の同一方向の曲率よりも小さく設定された光学面と、を具備したことを特徴とする。 The lens array of the present invention includes a plurality of lens curved surfaces formed in a matrix on one surface of a lens substrate, and formed on the other surface of the lens substrate so as to face each lens curved surface. An optical surface having a curvature in a direction set to be smaller than a curvature in the same direction of the lens curved surfaces facing each other.
また、本発明の照明装置は、光源と、前記レンズアレイと、を具備したことを特徴とする。 Moreover, the illuminating device of this invention was equipped with the light source and the said lens array.
また、本発明の照明システムは、光源と、少なくとも2種類以上の複数の前記レンズアレイと、を具備し、前記各レンズアレイから出射される照明光の照射領域の少なくとも一部を互いに一致させたことを特徴とする。 In addition, the illumination system of the present invention includes a light source and at least two or more types of the lens arrays, and at least a part of the irradiation area of the illumination light emitted from the lens arrays is made to coincide with each other. It is characterized by that.
本発明によれば、複数の照明光を重ね合わせた場合にも急激な照度値の変化を発生させることなく全体として違和感のない照明光を生成することができる。 According to the present invention, it is possible to generate illumination light with no sense of incongruity as a whole without causing a sudden change in illuminance value even when a plurality of illumination lights are superimposed.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図面は本発明の一実施形態に係わり、図1は照明システムの分解斜視図、図2は照明システムを出射側から見た平面図、図3は図2のI−I断面図、図4(a)は第1のレンズアレイの平面図であって、図4(b)は図4(a)のb−b断面図、図4(c)は図4(a)のc−c断面図、図5(a)は第2のレンズアレイの平面図であって、図5(b)は図5(a)のb−b断面図、図5(c)は図5(a)のc−c断面図、図6(a)は第3のレンズアレイの平面図であって、図6(b)は図6(a)のb−b断面図、図6(c)は図6(a)のc−c断面図、図7は現行の自動車用ランプ類配光の試験に用いられるフォグランプの配光規格とこの規格を用いた場合の各レンズアレイの照射領域との関係を示す説明図、図8は照明システムによる照度特性を示す説明図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings relate to an embodiment of the present invention, FIG. 1 is an exploded perspective view of the illumination system, FIG. 2 is a plan view of the illumination system as viewed from the exit side, FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line II in FIG. 4A is a plan view of the first lens array, FIG. 4B is a sectional view taken along line bb in FIG. 4A, and FIG. 4C is a sectional view taken along line cc in FIG. 5A is a plan view of the second lens array, FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line bb in FIG. 5A, and FIG. 5C is c in FIG. 5A. FIG. 6A is a plan view of the third lens array, FIG. 6B is a bb sectional view of FIG. 6A, and FIG. 6C is FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line cc of FIG. 7a, and FIG. 7 is a diagram illustrating the relationship between the light distribution standard of fog lamps used in the current light distribution test for automotive lamps and the irradiation area of each lens array when this standard is used. Fig. 8 shows the lighting system Is an explanatory view showing an illuminance characteristic due.
図1〜3において符号1は複数の照明装置が一体に構成された照明システムを示し、本実施形態においては、車載のフォグランプを示す。この照明システム1は、例えば、出射面12aに片突レンズが固設した複数(例えば、7個)の表面実装型の発光ダイオード(LED)12を光源とする光源ユニット10と、この光源ユニット10に冠設するレンズ光学系ユニット20とを有する。
1-3, the code |
光源ユニット10は、LED基板11を有する。LED基板11は、例えば、略円盤状の基板で構成され、各LED12を半田付け等によって保持し、さらに、保持した各LED12を図示しない電源回路に電気的に接続する。ここで、本実施形態において、各LED12は、LED基板11上に等間隔毎に配置されている。具体的には、各LED12は、例えば、LED基板11の中央部に配置された1つのLED12を中心として、他のLED12が同心円上に等間隔で配置されている。また、各LED12の発光効率を向上するため、LED基板11の裏面には放熱フィン13が固着している(図3参照)。
The
レンズ光学系ユニット20は、レンズ筐体21と、複数(例えば、7個)のコリメーションレンズ23をレンズ筐体21に保持するコリメーションレンズ保持板22と、複数種類(例えば、3種類)からなる複数(例えば、7個)のレンズアレイ(後述する第1〜第3のレンズアレイ26〜28)をレンズ筐体21に保持するレンズアレイ保持板25とを有する。
The lens
本実施形態において、レンズ筐体21は、両端が開口する略円筒形状の部材で構成されている。レンズ筐体21の内周には段部21aが形成されており、この段部21aによって、レンズ筐体21の基部側の内径が先端部側の内径よりも大径に設定されている(図3参照)。ここで、レンズ筐体21の基部側の内径は、LED基板11の外径と略一致するよう設定されている。
In the present embodiment, the
コリメーションレンズ保持板22は、その外径がレンズ筐体21の基部側の内径と略一致する略円盤状の部材で構成されている。このコリメーションレンズ保持板22には、LED基板11上の各LED12にそれぞれ対向する位置に、光軸方向に貫通するレンズ保持穴22aが開口されている。そして、コリメーションレンズ保持板22は、各レンズ保持穴22aに、各コリメーションレンズ23をそれぞれ嵌合保持してコリメーションレンズユニットを構成する。
The collimation
図3に示すように、各コリメーションレンズ23を保持したコリメーションレンズ保持板22は、レンズ筐体21内に基部側から挿入され、段部21aとの当接によってレンズ筐体21内での位置決めがされる。さらに、レンズ筐体21内において、コリメーションレンズ保持板22の基部側にはリング状のスペーサ24が配設されており、レンズ光学系ユニット20が光源ユニット10に冠設した際に、コリメーションレンズ保持板22は、スペーサ24を介してLED基板11に対向する。そして、スペーサ24によって各LED12と各コリメーションレンズ23との光軸距離が適値に規定されることにより、各コリメーションレンズ23は、対応するLED12からの入射光を、それぞれ略平行光に変換して出射する。
As shown in FIG. 3, the collimation
レンズアレイ保持板25は、レンズ筐体21の先端部に冠設する略円盤状の部材で構成されている。このレンズアレイ保持板25には、コリメーションレンズ保持板22上の各コリメーションレンズ23にそれぞれ対向する位置に、光軸方向に貫通するレンズ保持穴25aが開口されている。そして、レンズアレイ保持板25は、各レンズ保持穴25aに、各第1〜第3レンズアレイ26〜28をそれぞれ嵌合保持してレンズアレイユニットを構成する。
The lens
具体的に説明すると、本実施形態において、レンズアレイ保持板25には、各レンズ保持穴25aによって、1個の第1のレンズアレイ26が保持されているとともに、2個の第2のレンズアレイ27が保持され、さらに、4個の第3のレンズアレイ28が保持されている。
More specifically, in the present embodiment, the lens
図4に示すように、第1のレンズアレイ26は、レンズ保持穴25aに嵌合保持される略円盤状のレンズ基板26aの入射面(一方の面)側に、マトリクス状に配列して形成された同一形状をなす複数のレンズ曲面26bを有する。本実施形態において、各レンズ曲面26bは、それぞれ球面状をなし、例えば、車両の車幅方向(X軸方向)及び上下方向(Y軸方向)に沿ってマトリクス状に配列されている。
As shown in FIG. 4, the
また、レンズ基板26aの出射面側には、各レンズ曲面26bにそれぞれ対向する光学面26cが形成されている。各光学面26cは、それぞれ、対応するレンズ曲面26bの結像位置を通る面で構成され、少なくとも1方向の曲率が対向するレンズ曲面26bの同一方向の曲率よりも小さく設定されている。具体的には、本実施形態において、各光学面26cは、例えば、上下方向(Y軸方向)の曲率がレンズ曲面26bの曲率と同一に設定され、且つ、車幅方向(X軸方向)の曲率が「零」に設定された、シリンドリカルレンズ曲面で構成されている。なお、本実施形態において、各光学面26cは、車幅方向(X軸方向)に同列のものが一体形成されている。
An
そして、第1のレンズアレイ26は、コリメーションレンズ23から各レンズ曲面26bにそれぞれ入射する光を互いに重畳させることにより、特定の照射領域A1(図7参照)を均一照度で照射する。その際、出射側の光学面26cの車幅方向(X軸方向)の曲率が「零」に設定されているため、各光学面26cからの出射光線は所定に発散する。
And the
同様に、図5に示しように、第2のレンズアレイ27は、レンズ保持穴25aに嵌合保持される略円盤状のレンズ基板27aの入射面(一方の面)側に、マトリクス状に配列して形成された同一形状をなす複数のレンズ曲面27bを有する。本実施形態において、各レンズ曲面27bは、それぞれ球面状をなし、例えば、車両の車幅方向(X軸方向)及び上下方向(Y軸方向)に沿ってマトリクス状に配列されている。
Similarly, as shown in FIG. 5, the
また、レンズ基板27aの出射面側には、各レンズ曲面27bにそれぞれ対向する光学面27cが形成されている。各光学面27cは、それぞれ、対応するレンズ曲面27bの結像位置を通る面で構成され、少なくとも1方向の曲率が対向するレンズ曲面27bの同一方向の曲率よりも小さく設定されている。具体的には、本実施形態において、各光学面27cは、例えば、上下方向(Y軸方向)の曲率がレンズ曲面27bの曲率と同一に設定され、且つ、車幅方向(X軸方向)の曲率が「零」に設定された、シリンドリカルレンズ曲面で構成されている。なお、本実施形態において、各光学面27cは、車幅方向(X軸方向)に同列のものが一体形成されている。
An
そして、第2のレンズアレイ27は、コリメーションレンズ23から各レンズ曲面27bにそれぞれ入射する光を互いに重畳させることにより、特定の照射領域A2(図7参照)を均一照度で照射する。その際、出射側の光学面27cの車幅方向(X軸方向)の曲率が「零」に設定されているため、各光学面27cからの出射光線は所定に発散する。
And the
同様に、図6に示しように、第3のレンズアレイ28は、レンズ保持穴25aに嵌合保持される略円盤状のレンズ基板28aの入射面(一方の面)側に、マトリクス状に配列して形成された同一形状をなす複数のレンズ曲面28bを有する。本実施形態において、各レンズ曲面28bは、それぞれ球面状をなし、例えば、車両の車幅方向(X軸方向)及び上下方向(Y軸方向)に沿ってマトリクス状に配列されている。
Similarly, as shown in FIG. 6, the
また、レンズ基板28aの出射面側には、各レンズ曲面28bにそれぞれ対向する光学面28cが形成されている。各光学面28cは、それぞれ、対応するレンズ曲面28bの結像位置を通る面で構成され、少なくとも1方向の曲率が対向するレンズ曲面28bの同一方向の曲率よりも小さく設定されている。具体的には、本実施形態において、各光学面28cは、例えば、上下方向(Y軸方向)の曲率がレンズ曲面28bの曲率と同一に設定され、且つ、車幅方向(X軸方向)の曲率が「零」に設定された、シリンドリカルレンズ曲面で構成されている。なお、本実施形態において、各光学面28cは、車幅方向(X軸方向)に同列のものが一体形成されている。
An
そして、第3のレンズアレイ28は、コリメーションレンズ23から各レンズ曲面28bにそれぞれ入射する光を互いに重畳させることにより、特定の照射領域A3(図7参照)を均一照度で照射する。その際、出射側の光学面28cの車幅方向(X軸方向)の曲率が「零」に設定されているため、各光学面28cからの出射光線は所定に発散する。
And the
ところで、照明システム1をフォグランプとして使用する場合、図7に示すように、照射距離10mの地点において、照明システム1の正面位置C1での最高光度が10000cd以下であることが要求される。また、C1の左右位置において、位置C2での光度が1000cd以上、位置C3での光度が750cd以上、且つ、位置C4での光度が300cd以上であることが要求される。さらに、水平以上の領域において、位置C5での光度が650cd以下、且つ、位置C6での光度が300cd以下であることが要求される。
By the way, when using the
このため、本実施形態において、第1のレンズアレイ26の各レンズ曲面26bを平面視した際の縦横寸法比は、例えば、2.2:2.28に設定されている。そして、各レンズ曲面26b及び光学面26cの曲率や頂間距離等を実験やシミュレーション等を用いて適値に設定することにより、第1のレンズアレイ26の照射領域A1として、例えば、図4に示すように、幅方向に約−6.5°〜6.5°、高さ方向に約−10°〜−1°の矩形領域、すなわち、地点C1,C2を包含する領域が規定されている。
For this reason, in this embodiment, the aspect ratio when the lens curved
また、第2のレンズアレイ27の各レンズ曲面27bを平面視した際の縦横寸法比は、例えば、1.9:4.36に設定されている。そして、各レンズ曲面27b及び光学面27cの曲率や頂間距離等を実験やシミュレーション等を用いて適値に設定することにより、第2のレンズアレイ27の照射領域A2として、例えば、図4に示すように、幅方向に約−15°〜15°、高さ方向に約−10°〜−1°の矩形領域、すなわち、地点C1,C2,C3を包含する領域が規定されている。ここで、本実施形態において、各第2のレンズアレイ27は、その光軸調整によって、照射領域A1の中心と照射領域A2の中心とが一致するよう設定されている。さらに、照射領域A2が、照射領域A1の全域を包含するよう設定されている。
In addition, the aspect ratio when the lens curved
また、第3のレンズアレイ28の各レンズ曲面28bを平面視した際の縦横寸法比は、例えば、1.5:4.52に設定されている。そして、各レンズ曲面28b及び光学面28cの曲率や頂間距離等を実験やシミュレーション等を用いて適値に設定することにより、第3のレンズアレイ28の照射領域A3として、例えば、図4に示すように、幅方向に約−22°〜22°、高さ方向に約−10°〜−1°の矩形領域、すなわち、地点C1,C2,C3,C4を包含する領域が規定されている。ここで、本実施形態において、各第3のレンズアレイ28は、その光軸調整によって、照射領域A1,A2の中心と照射領域A3の中心とが一致するよう設定されている。さらに、照射領域A3が、照射領域A1,A2の全域を包含するよう設定されている。
In addition, the aspect ratio when the lens curved
これら各設定により、本実施形態の照明システム1では、照射領域A1〜A3が重畳された領域の光度が最も高く、次いで照射領域A2,A3が重畳された領域の光度が高く、照射領域A3単独の領域の光度が最も低いという配光パターンが実現する。そして、各LED12の出力を適値に調整することにより、フォグランプに要求される配光規格を満足させることが可能となる。
With each of these settings, in the
ここで、上述の本照明システム1で得られる照明光のシミュレーション結果に基づく照度特性線を図8(a)に示し、照明光全体の照度分布を図8(b)に示す。また、その比較例として、第1〜第3のレンズアレイ26〜28の各光学面26c〜28cをそれぞれレンズ曲面26b〜28bと同形状をなす球面状に形成した場合(すなわち、第1〜第3のレンズアレイを入、出射側に両突のフライアイレンズで構成した場合)の照明システムで得られる照明光のシミュレーション結果に基づく照度特性線を図8(c)に示し、照明光全体の照度分布を図8(d)に示す。なお、図8(a),(c)中に実線で示す特性線は図7中のL1線に沿う特性線であり、図8(a),(c)中に破線で示す特性線は図7中のL2線に沿う特性線である。これらの比較からも明らかなように、本実施形態の照明システム1では、3種類の各レンズアレイ26〜28による各照射領域A1〜A3を組み合わせた場合にも、特に、車幅方向(X軸方向)の照度をなだらかに変化させることができ、全体として違和感のない照明光を生成することができる。すなわち、各レンズアレイ26〜28の光学面26c〜28cを車幅方向(X軸方向)の曲率が零となるシリンドリカルレンズ曲面で形成することにより、レンズ曲面26b〜28bで集光されて光学面26c〜28cから出射する光のうち、車幅方向(X軸方向)に出射角を有する光の一部を所定に散乱させることができ、当該方向の照射領域の境界における照度をなだらかに変化させることができる。
Here, the illuminance characteristic line based on the simulation result of the illumination light obtained by the
また、このような照明システム1によれば、3種類の各レンズアレイ26〜28による各照射領域A1〜A3の組み合わせによって、照明光全体として配光パターンを構成することにより、簡単な構成で、光の利用効率を低下させることなく、所望の配光パターンを構成することができる。すなわち、各種レンズアレイ26〜28で形成される照射領域A1〜A3を組み合わせて、リフレクタ等を用いることなく所望の配光パターンを構成することにより、構造を簡素化することができ、特に、照明システム1の光軸方向の寸法を飛躍的に短縮することができる。さらに、反射によるエネルギーロスが発生しないため、各LED12から出射する光を有効に活用することができる。
Moreover, according to such an
ここで、上述の説明において、各レンズアレイ26〜28の光学面26c〜28cの曲率を対応するレンズ曲面26b〜28bに対して1方向のみ小さく設定した一例について説明したが、その他、例えば、レンズアレイ26〜28のうちの少なくとも何れか1つにおいて、光学面26c〜28cの全方向の曲率を、対応するレンズ曲面26b〜28bの曲率よりも小さく設定してもよい。
Here, in the above description, an example in which the curvatures of the
例えば、第1〜第3のレンズアレイ26〜28の光学面26c〜28cの全方向の曲率を「零」に設定して、光学面26c〜28cを平面で形成することも可能である。なお、光学面26cをレンズ基板26aに平行な平面で形成したときの第1のレンズアレイ26を図9に示す。また、各光学面26c〜28cがレンズ基板26a〜28aに平行な平面で形成された第1〜第3のレンズアレイ26〜28を用いた照明システム1で得られる照射光のシミュレーション結果に基づく照度特性線お余に照度分布を図10(a),(b)に示す。図10からも明らかなように、このような構成の各レンズアレイ26〜28による各照射領域A1〜A3を組み合わせた場合にも、照度をなだらかに変化させることができ、全体として違和感のない照明光を生成することができる。
For example, it is possible to set the curvatures in all directions of the
さらに、第1〜第3のレンズアレイ26〜28のうちの少なくとも何れか1つにおいて、光学面26c〜28cを平面で形成し、レンズ基板26a〜28aに対して傾斜させることも可能である。なお、光学面26cをレンズ基板26aに対して傾斜した平面で形成したときの第1のレンズアレイ26を図11に示す。このように構成すれば、照射領域の境界における照度をなだらかに変化させることができることは勿論のこと、照射領域内の照度にも勾配を持たせることが可能となる。
Furthermore, in at least any one of the first to
なお、上述の実施形態においては、異なる3種類のレンズアレイ26〜28を用いて照明システム1を構成した一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、2種類、或いは4種類以上のレンズアレイを用いて照明システムを構成してもよいことは勿論である。また、光学面の形態が異なる各種レンズアレイを適宜組み合わせて用いてもよいことは勿論である。
In the above-described embodiment, an example in which the
1…照明システム、10…光源ユニット、12…発光ダイオード(光源)、20…レンズ光学系ユニット、26…第1のレンズアレイ、26a…レンズ基板、26b…レンズ曲面、26c…光学面、27…第2のレンズアレイ、27a…レンズ基板、27b…レンズ曲面、27c…光学面、28…第3のレンズアレイ、28a…レンズ基板、28b…レンズ曲面、28c…光学面
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記各レンズ曲面に対向して前記レンズ基板の他方の面に形成され、少なくとも1方向の曲率が対向する前記レンズ曲面の同一方向の曲率よりも小さく設定された光学面と、を具備したことを特徴とするレンズアレイ。 A plurality of lens curved surfaces formed in a matrix on one surface of the lens substrate;
An optical surface that is formed on the other surface of the lens substrate so as to face each of the lens curved surfaces, and has a curvature in at least one direction that is set to be smaller than the curvature of the lens curved surface in the same direction. Characteristic lens array.
請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載のレンズアレイと、を具備したことを特徴とする照明装置。 A light source;
An illumination device comprising: the lens array according to any one of claims 1 to 3.
請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の、少なくとも2種類以上の複数のレンズアレイと、を具備し、
前記各レンズアレイから出射される照明光の照射領域の少なくとも一部を互いに一致させたことを特徴とする照明システム。 A light source;
A plurality of lens arrays of at least two types according to any one of claims 1 to 3, and
An illumination system, wherein at least a part of an illumination area of illumination light emitted from each lens array is made to coincide with each other.
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