JP6971584B2 - 光源のマトリックスを備えた光ビーム投影デバイス、当該デバイスを備えた照明およびヘッドライトモジュール - Google Patents

Description

本発明は、とりわけ自動車用の光ビーム投影デバイス、および、そのような投影デバイスを備えた、ロービームまたはハイビームタイプの光ビームヘッドライトに関する。

自動車のヘッドライトは、ヘッドライトの出力にあたって１つ以上の光ビームをもたらすために、前面レンズで閉じられたケース内に配置される１つ以上の光学モジュールを備える。簡潔に述べると、ケース内の光学モジュールは、特に、光線を発する光源、たとえば、１つ（または複数）の発光ダイオード、ならびに、光学モジュールの出力光ビームを形成するために光源から来た光線を方向付けるための、１つ以上のレンズおよび適切な場合は反射器を含む光学システムを備えている。

車両運転者のニーズによって光ビームの配向を変えることが可能な自動車ヘッドライトがいくつか公知である。車両が曲がるときには、車両に搭載される電子システムが、運転中の運転者の視界に適応させるために光ビームの配向を変更するよう命令する。次いで、ヘッドライトは、光ビームをまっすぐ前に投影するのではなく、道路を明るくするために、車両の回転方向に光ビームの軸を動かす。

他の公知のヘッドライトは、同一の光源で、ロービームおよびハイビーム機能を達成できる。この目的のために、ヘッドライトは、ビームの一部分を遮断する、ビームベンダーと呼ばれる要素を示す機械的手段を利用する。さらに、高速道路用に設計されたロービームタイプの照明もあり、このビームは、車両が高速道路を走っている時に道路の視界を向上させるために、通常のロービームのカットオフの少し上を通過する。

さらに、特定の技術によって、反対方向に動く車両を検知し、影の領域を有する光ビームを投影することが可能である。すなわち、投影されたビームは、検知される車両の両側には広い照明を維持する一方で、やって来る車両の運転者の目をくらませることを回避するため、その車両の方向に光ホールを有する。この第４の機能を利用する場合、光ホールはやって来る車両の移動を追い；よって、光ホールは投影されるビームの内側に配置される。

このように、光源から発する光線を調整し、ヘッドライトから出る光ビームの大きさを変更し、かつ、上記した機能を全て実行するようにできることが望ましい。

この達成のために、文献ＤＥ１０２００８０６１５５６号では、それぞれがアドレス可能な発光ダイオードのマトリックスを備えた照明デバイスが開示されている。ダイオードは互いに沿って配置され、各ダイオードは、ヘッドライトを出る光ビームの構成要素を発している。このデバイスでは、所望するビームのサイズに対応した発光ダイオードの比率を達成することで、光ビームの大きさを調整することが可能である。

しかし、現在のダイオードマトリックスでは、均一な光ビームを得ることは不可能である。実際に、ダイオードが最小の距離でそれぞれ離れて配置されているため、ビームを構成する異なる光ビームの間に、ダイオードの間隔に対応する隙間が現れる。

ドイツ国特許公報ＤＥ１０２００８０６１５５６

よって、本発明は、大きさと配向を変更できる光ビームを投影するよう構成され、および、その配光が確かに均一である光学モジュールを提供することを目的とする。

このために、本発明は、とりわけ自動車用の光学光ビーム投影デバイスに関し、当該投影デバイスは、光線の伝播方向に関して上流側にあって光線を発することが可能な主光源のマトリックスと、下流側にあって主光源の虚像を形成するよう構成された収束光学部を複数備えた主光学システムと備え、虚像は、主光源のマトリックスの上流側に、虚像の大きさが主光源の大きさよりも大きくなるように形成される。

さらに、虚像の形成により、主光源の実像を主光源の下流側にもたらすデバイスに比べ、デバイスの光軸に沿ったより良好なコンパクトさを得ることが可能になる。

よって、虚像が光源のマトリックスの上流側に形成されるため、虚像は拡大され、よって、様々な光源が発するビーム間の隙間を最小限にする。好ましい実施形態では、主光学システムは、虚像が並置されるかまたは実質的に並置され、それによってサブマトリックス間の配光の良好な均一性をもたらすように、構成される。

組み合わせて、または、個別で用いることができる本発明の異なる実施形態によると：
− 収束光学部は、各主光源の下流に配置される。
− 各収束光学部は、収束入力マイクロジオプターを備える。
− 各収束光学部は、少なくとも１つの凸部分を有する入力マイクロジオプターを備える。
− 収束入力マイクロジオプターは、平面を有する。
− 主光学システムは、主光源の虚像が実質的に隣接して均一な配光を形成するよう配置される。
− 主光学システムは、平面に虚像を形成するよう構成される。
− 収束光学部は、各主光源の下流に配置される。
− 主光学システムは、全ての入力マイクロジオプターに対する出力ジオプターを１つ含む。
− 出力ジオプターは、光学収差を補正するよう構成される。
− 出力ジオプターは、実質的に球状の形態を有する。
− 出力ジオプターは、二重焦点で解像度を有する細長の形態を有する。
− 主光学システムは、両凸レンズを得るために、各入力マイクロジオプターに対して出力マイクロジオプターを含む。
− 主光学システムは、単一の材料から構成され、つまり、その各種構成要素は、全て同一材料および全てシングルピースの構成要素である。
− 主光源は、発光ダイオードである。

本発明の文脈では、マイクロジオプターとは、その外側の大きさが関連させた主光源の大きさの５倍以下であるジオプターを意味する。マイクロジオプターは通常ミリメートルの桁である。よって、たとえば、発光面が１ｍｍの辺の長さである１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）に関して、関連させたジオプターの大きさは、５ｍｍの最大辺直径を有する正方形内に収まる。主光源がＬＥＤのサブマトリックスで構成される場合、企図されるのは、サブマトリックスの大きさである。

さらに、本出願では、主光源のマトリックスは、少なくとも２列と少なくとも２行、好ましくは少なくとも１０列と少なくとも３行に配置された主光源のセットを意味すると理解される。

行と列で配置された少なくとも２つの主光源で構成されるアセンブリは、サブマトリックスと呼ぶ。たとえば、サブマトリックスは、１行および２列のダイオードを含んでなり得る。好ましくは、少なくとも２行および少なくとも２列のダイオードを含んでなり得る。効果的には、実装される光源のマトリックスは、複数の異なるサイズのサブマトリックスで構成され得る。

さらに、主光源が全て同一の大きさである場合、全て同一の大きさであるジオプターを提供することも可能である。しかし、効果的には、マトリックスの端部、とりわけ側部の先端で光源と関連させたジオプターを、他よりも大きいサイズの投影光パターンをもたらす横方向および垂直方向に細長の虚像を形成し、特に歩道への照明をもたらすために、他よりも大きくして提供することも可能である。

本発明はまた、そのような投影デバイスおよび投影レンズまたは反射器といった投影手段を備えた光学モジュールにも関し、当該投影手段は、光ビームの投影方向において主光学システムの下流に配置され、虚像からの光ビームを投影可能であり、前記虚像は、虚像に焦点を合わせた投影手段のための光源として機能する。

本発明のこの最後の特徴は、特に興味深く、効果的である。実際に、投影手段の虚像、特に前記虚像を含有する平面への焦点により、光学投影モジュールは、主光学システムの製造欠陥の影響を受けないようになる：投影手段がジオプターの表面に焦点を合わせる場合、像が形成されるのはこの表面であり、よって、その全ての製造欠陥が目に見えるようになり、均一性の欠陥または投影される光ビームの色収差の欠陥を引き起こし得る。さらに、このことによって、主光学部に関連させて光源のサブマトリックスを用いることが可能になり、各光源の像がそれぞれ形成される。

本発明は、そのような光学モジュールを備えた自動車ヘッドライトにも関する。

本発明は、添付の図面を参照しながら、説明のみのために提供され、その目的は本発明を限定することではない以下の詳細によって、理解が深まる。

図１は、本発明の投影モジュールの第１の実施形態の斜視図を模式的に示している。 図２は、図１の投影モジュールの一部分を拡大斜視図を模式的に示している。 図３は、図２の投影モジュールの一部分上に虚像を形成した斜視図を模式的に示している。 図４は、本発明の投影モジュールの第１の実施形態の側面図を模式的に示している。 図５は、本発明の投影モジュールの第２の実施形態の第１の変形版の側面図を模式的に示している。 図６は、本発明の投影モジュールの第２の実施形態の第２の変形版の側面図を模式的に示している。 図７は、本発明の投影モジュールの第２の実施形態の第３の変形版の側面図を模式的に示している。 図８は、本発明の投影モジュールの第２の実施形態の第４の変形版の側面図を模式的に示している。 図９は、本発明の投影モジュールの第２の実施形態の第５の変形版の側面図を模式的に示している。 図１０は、第１の実施形態の製造変形版の側面図を模式的に示している。 図１１は、光源のマトリックスの第１のタイプの前面図を模式的に示している。 図１２は、光源のマトリックスの第２のタイプの前面図を模式的に示している。 図１３は、光源のマトリックスの第３のタイプの前面図を模式的に示している。 図１４は、光源のマトリックスの第４のタイプの前面図を模式的に示している。

図１〜４は、特に自動車のための、光学光ビーム投影モジュール１の第１の実施形態を示す。モジュール１は、光軸１５に沿った光線の伝播方向における上流から下流までで、光線を発光可能な主光源８のマトリックス２、光線を伝える主光学システム４、および、主光学システム４によって伝えられた入射光線からの光ビームを投影するよう構成された投影手段を備えている。

図では、投影手段は、単一の投影レンズ３の形態を取っている。しかし、投影手段は、複数のレンズ、複数の反射器を関連させたもの、または、１つ以上のレンズおよび／または１つ以上の反射器の組合せによって形成され得る。

主光源８は、たとえば、図２で示される通り、マトリックス２上にアレーを形成する発光ダイオードである。これらの発光ダイオードのマトリックス２は、公知であり、市販されている。

図１１は、発光ダイオードタイプの光源８のマルチチップのマトリックス２０を示し、各光源８は個別でアドレス可能である。各光源８は、独立したチップ上に別々で作製され、当該チップは保持要素１８上に搭載され、それ自体もサポート１７上で他の光源と組み立てられる。図１２は、発光ダイオードが、サポート１７上に配置された共通の保持要素１８上で互いに前もって組み立てられた、第２のタイプのマルチチップのマトリックス２０を示す。

図１３および１４は、シングルチップのマトリックス２０を示し、光源８は、電極を共有する。接触した２つの電極１６、１９を有するダイオードであり、第１のスポット電極１９および第２の面電極１６である。図１３では、光源８は、第１の電極１９を作動させることで個別にアドレス可能であり、第２の電極はチップの光源８全てに対して同一である。一方で、図１４の光源８は、各光源８に対して独立した第２の電極１９を有するよう、部分分割された第２の電極１９を有し、第１の電極１６は同時に作動可能である。

特定の製造変形版に従うと、光サブマトリックス２０は、サブミリの大きさの複数の発光ユニットを備えた半導体光源に基づくことができ、ユニットは、選択的に作動可能な異なる光ゾーンに分配されている。具体的には、サブミリの大きさの各発光光ユニットは、ロッドの形態をとる。さらに、ロッドは、１つおよび同一の、好ましくはシリコンからなる基材上にある。

図１〜４において、主光学システム４の機能は、ここでは投影レンズ３の形態である投影手段と組み合わされた時に、モジュールからたとえば道路に投影されるビームが均一であるように、ダイオードから光線を伝えることである。この目的のために、主光学システム４には、好ましくは収束入力マイクロジオプター５である複数の収束光学部を備えている。ここで、入力マイクロジオプター５は、凸状面を有し、つまり、光源８に向かって外向きにドーム状になっている。しかし、その表面は、平面、平面−凸または凹−凸であり得る。入力マイクロジオプター５は、効果的には、各光源８の下流に配置され、つまり、図２の通り、各発光ダイオードまたはマトリックス２のダイオードのサブマトリックスの下流に配置される。入力マイクロジオプター５は、図３の通り、主光源８の虚像６を形成する。

虚像６は、主源８のマトリックス２の上流で形成され、よって、投影レンズのための新しい光源として機能する。得られた虚像６は、拡大されており、および、好ましくは実質的に隣接している。すなわち、虚像は顕著な隙間によって互いに離れていない。さらに、隣接した虚像は、互いに少し重なり得、このことは、デバイスから２５ｍ離れて配置されるスクリーン上で測定される、投影手段による各投影の重なりになり、好ましくは１度未満である。実際に、主光学システムの設計において、光源の配置の正確性およびマイクロジオプターの表面の製造欠陥に関する安定性を保障する許容差とともに、近軸の観点から虚像が並置されることを確実にすることが求められる。作製される光ビームの良好な均一性を確実にするこのわずかな重なりを得るために、各虚像の端部はぼやかされる。よって、主光学システム４によって、ビームの均一な分配を得るために主光源８の虚像６を形成することが可能になり、つまり、光ビームの構成要素は、互いに正しく調整され、運転の快適性に悪影響である、光ビームの構成要素間の暗色帯および／または明色帯（過度な強さ）をもたらさない。

さらに、虚像６は、光源の本物のマトリックスと比べて投影レンズ３からより遠く、これによって、コンパクトな光学モジュールを維持することが可能である。

主光学システム４は、効果的には、虚像６を平面６１上に形成するよう構成され、虚像６の大きさは、主光源８の大きさよりも大きい。図４の通り、虚像６のサイズの拡大によって、互いに隣接するような平面６１上での虚像６の並置が可能になる。このために、マイクロジオプターを形成する凸状湾曲および材料は、マトリックス２に対する主光学システム４の配置のように、虚像６が正しく並置されるように主源８のマトリックス２の大きさに合っている。効果的には、主光源８は、主光学システム４にできる限り近く、たとえば、０．２〜２ｍｍ、および好ましくは０．３〜０．５ｍｍの距離である。

分かりやすくするため、虚像６は、図４〜図１０には描かれていない。これら虚像６が位置する平面６１のみが描かれている。

図４の光学モジュール１は、主光源８のマトリックス２、入力マイクロジオプター５を備えた主光学システム４、および、投影レンズ３によって形成される投影手段を備えている。主光学システム４は、入力マイクロジオプター５全てに対する１つの出力ジオプター９も備えている。

出力ジオプター９は、投影レンズ３に伝えられるビームの光学補正を提供する。補正は、特に、デバイスの光学効率を改善し、システム４の光学収差を補正する役割を果たす。このため、出力ジオプター９は、実質的に球状のドーム形態である。この形態は、光軸１５上に配置された光源から来る、出力ジオプター９を通過するビームの光線の方向をほとんど屈折させない。

図示された製造例では、出力ジオプター９は、実質的に球状のドーム形態である。

図示されていない変形例では、二重焦点で解像度を有する、円筒タイプの、細長の形態である。前から見ると、出力ジオプター９は、高さよりも横が長い。この変形版の製造の好ましい実施例によると、出力ジオプター９は、水平面、よって幅方向で、５ｍｍ未満の屈折を伴った大きな曲率半径を有する。水平面の表面は凸または凹であり得、すなわち、出力ジオプター９はそれぞれ収束または発散性であり得、後者の代替案は、光学デバイスのかさを減らすのに特に興味深い。さらにこの好ましい製造実施例に従うと、垂直面、したがって高さ方向では、出力ジオプター９の表面は非球面であり、下端上端を含む５および１０ｍｍ間の半径を有する一次球近似を伴う。

この第１の実施形態では、主光学システム４は、単一の材料から構成される。つまり、入力マイクロジオプター５および出力ジオプター９は、１つの同一要素である、合成レンズのような主光学システム４の入力および出力面を形成する。

図１０に示す第１の実施形態の変形版では、主光学システム４は、各入力マイクロジオプター５に対して出力マイクロジオプター９を備えている。主光学システム４は、両凸マイクロレンズのセットを形成し、各マイクロレンズは、主光源の前に配置されている。しかし、単一の出力ジオプター９を備えた主光学システム４のように、マイクロレンズによって、伝えられたビーム全体を補正することはできない。これらのマイクロレンズは、以下で説明する、図６に示された第２の実施形態の第２の変形版のものに類似している。これらのマイクロレンズは、虚像のより良好な均一性をもたらし、像の変形を少なくするという効果を有する。

図５〜図８に示す第２の実施形態では、デバイスは、前の実施形態のマトリックス２の代わりに、主光源８のサブマトリックス２０を複数備えている。発光ダイオードのサブマトリックス２０は、大きいサイズのマトリックスよりも取り扱いが容易で、コストも低い。よって、複数のサブマトリックス２０を関連させて大きいサイズのマトリックスを得ることは、コスト効率がより高い。そのような構図では、１００〜６００個の発光ダイオードを含有し得る。

特定の変形版の実施形態に従うと、光サブマトリックス２０は、サブミリの大きさの複数の発光ユニットを備えた半導体光源に基づくことができ、ユニットは、選択的に作動可能な異なる光ゾーンに分配されている。具体的には、サブミリの大きさの各発光光ユニットは、ロッドの形態をとる。さらに、ロッドは、１つおよび同一の、好ましくはシリコンからなる基材上にある。

主光学システム４は、単一マトリックスの実施形態のように、同一特性を有する単一ビームを形成するために、サブマトリックス２０から出る光線を関連させる。よって、本発明によって、市販の標準的な構成要素を使うだけでなく、大きいサイズの構成要素に生じる熱膨張の問題も回避することが可能になる。

異なるサブマトリックス２０によって形成されたビームは互いに補い、効果的には、各ビームの１度の開口角を超えないビームのわずかな重なりを伴う。異なるビームをもっと大きな角度で重なり合わせることは、構成要素の離散化を維持し、外形が良く画定された投影ビームを保持するために、回避される。

図５は、光学投影モジュール１の第１の変形版の実施形態を示し、上流に複数のサブマトリックス２０、および、下流に投影レンズといった投影手段３を備えている。光学デバイスは、サブマトリックス２０および投影レンズ３の間に、ここでは凸面を有する複数の収束入力マイクロジオプター５を備え、虚像６を１つおよび同一の平面６１上に形成するよう構成された、主光学システム４も備えている。入力マイクロジオプター５は、サブマトリックス２０の下流に配置され、入力マイクロジオプター５は、主光源８のサブマトリックス２０に対応している。

光源の虚像６は、サブマトリックス２０の上流にある１つおよび同一の平面６１上に形成され、虚像６は投影レンズ３のための光源として役割を果たす。

図４の実施形態のように、図５の主光学システム４は、投影レンズ３に伝えられるビームの光学補正を提供するよう構成された出力ジオプター９を有し、出力ジオプター９は、凸状のドーム形態も有する。さらに、主光学システム４は、単一の材料から構成された光学要素でもある。

図６に示す第２の実施形態の第２の変形版では、主光学システム４は、各入力マイクロジオプター５に対して出力マイクロジオプター９を備えている。ここで、出力ジオプター９の機能は、伝えられるビームの補正ではない。主光学システム４は、こうして、両凸マイクロレンズのセットを形成する。この実施形態では、モジュールは主光源８のサブマトリックス２０を含んでなり、各両凸マイクロレンズは、サブマトリックス２０の下流に配置されている。

図７は、本発明に従った光学モジュール１の第２の実施形態の第３の変形版を示し、主光源８のサブマトリックス２０の下流に配置された、入力マイクロジオプター５を備えた主光学システム４を備えている。入力マイクロジオプター５は、各サブマトリックス２０の主光源８に対応する。この変形版の実施形態では、主光学システム４は、各サブマトリックス２０に対して出力ジオプター９を備えている。各レンズの出力ジオプター９および入力マイクロジオプター５は、合成レンズを形成するような、ひと続きの材料である。主光学システム４の合成レンズは、互いに結合していてもよい。よって、出力ジオプター９は、各サブマトリックス２０のビームが互いに調節されるように、サブマトリックスの拡大された虚像を作製する。

さらに、出力ジオプター９および入力マイクロジオプター５は、シングルピースで構成された主光学システム４の一部分を形成する。つまり、主光学システム４は、単一の要素のみを備えている。

図８は、図７の第３の変形版に類似した第２の実施形態の第４の変形版を説明し、違いは、２つの要素１２、１３に別れた主光学システム４である。第１の要素１２は、入力マイクロジオプター５、および、全ての入力マイクロジオプター５のための実質的に平面の単一出力面を備えている。第２の要素１３には、各サブマトリックス２０のための、凸状ジオプター１４を有する入力面、および、各サブマトリックス２０に対する出力ジオプター９が備えられている。

図９の第５の変形版は、第４の変形版と実質的に同じである。第１の要素１２の形態が、図６の第２の変形版に類似した両凸マイクロレンズのセットを備える点で異なる。

第３、第４および第５の変形版の光学システム４は、主光源８が互いに離れているサブマトリックス２０に特によく適している。主光源８の幅の５％超で離れていると、顕著な距離とみなされ得る。よって、前述した手順に従うと、各主光源８の下流に配置される入力マイクロジオプター５によって、サブマトリックス内で、主光源８が提供する光が均一になることが可能になる。各サブマトリックス２０の下流に配置される出力ジオプター９の機能は、平面１１に位置し、これらサブマトリックス間で均一な第２の虚像を、作製することである。

各サブマトリックス専用の入力ジオプター１４がある場合（図８および９の場合）、出力ジオプター９および入力ジオプター１４の関連付けによってサブマトリックス間に虚像が作製される。こうすると、効果的には、像の幾何学上の変形が少なくなる。サブマトリックス２０間のこの標準化は、サブマトリックス間の距離が光源８を分離している距離よりも大きいと、とりわけ有用である。

第１の実施形態で説明される本発明のおかげで得られる効果は、第２の実施形態の変形版でも得られる。

Claims (11)

1. 車両照明用の光学光ビーム投影モジュールであって、
   光線の伝播方向の上流側にあって光線を発することが可能な主光源（８）のマトリックス（２）と、光線の伝播方向の下流側にあって前記主光源（８）の虚像（６）を形成するよう構成された複数の収束光学部を備えた主光学システム（４）と、を含んでなる光学光ビーム投影デバイスであって、前記主光源（８）のマトリックス（２）の上流側にある平面（６１）内に、前記虚像（６）の大きさが前記主光源（８）の大きさよりも大きくなるように前記虚像（６）が形成されるように構成された前記光学光ビーム投影デバイスと、
   光学光ビームの投影方向で前記主光学システム（４）の下流側に配置された１つ以上のレンズ（３）、１つ以上の反射器、または１つ以上のレンズおよび１つ以上の反射器の組み合わせにより構成された投影手段であって、前記投影手段が、前記虚像（６）からの光ビームを投影可能であり、前記虚像（６）が、当該虚像の平面（６１）に焦点が合わされた前記投影手段のための光源として機能する、前記投影手段と、
   を備えた、光学光ビーム投影モジュール。
2. 前記主光学システム（４）が、前記主光源（８）の虚像（６）が実質的に隣接して均一な配光を形成するよう配置されることを特徴とする、請求項１に記載の光学光ビーム投影モジュール。
3. 各主光源（８）の下流に収束光学部が配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の光学光ビーム投影モジュール。
4. 各収束光学部が、少なくとも１つの凸部分を有する入力マイクロジオプター（５）を備えることを特徴とする、請求項３に記載の光学光ビーム投影モジュール。
5. 前記主光学システム（４）が、全ての収束光学部または全ての入力マイクロジオプター（５）に対して１つの出力ジオプター（９）を備えることを特徴とする、請求項３または４に記載の光学光ビーム投影モジュール。
6. 前記出力ジオプター（９）が、光学収差を補正するよう構成されることを特徴とする、請求項５に記載の光学光ビーム投影モジュール。
7. 前記出力ジオプター（９）が、実質的に球状の形態を有することを特徴とする、請求項６に記載の光学光ビーム投影モジュール。
8. 前記主光学システム（４）が、両凸レンズを得るために、各入力マイクロジオプター（５）に対して出力マイクロジオプター（９）を備えることを特徴とする、請求項４に記載の光学光ビーム投影モジュール。
9. 前記主光学システム（４）が、単一の材料で構成されることを特徴とする、請求項１から８のうちのいずれか一項に記載の光学光ビーム投影モジュール。
10. 前記主光源（８）が発光ダイオードであることを特徴とする、請求項１から９のうちのいずれか一項に記載の光学光ビーム投影モジュール。
11. 請求項１から１０のうちのいずれか一項に記載の光学光ビーム投影モジュール（１）を備えた自動車のヘッドライト。

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