JPH05164906A - 灯具用レンズ及びその金型作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 灯具用レンズの出射面の曲面形状に合わせて
フレネルレンズステップ及び／又はプリズムステップを
形成し、明るさにムラのない配光制御を行う。 【構成】 インナーレンズ５の出射光線が平行光線とな
るように、出射面６上の屈折点での法線方向と平行光線
の向きから出射面に対する入射光線の向きを屈折の法則
により求めた後、レンズの入射面に対する入射光線の向
きと先に求めた出射面に対する入射光線の向きとに基づ
いて、フレネルレンズステップ７に関して屈折の法則に
より屈折の境界面を求め、またプリズムステップ８に関
して反射の法則により全反射面を求める。そして、フレ
ネルレンズステップ７の屈折の境界面Ｓ又はプリズムス
テップ８の全反射面Ｒの法線ベクトルと全反射面上の屈
折点における出射面の法線ベクトルとの外積Ｗ、ｗを計
算し、これを接線ベクトルとしてスプライン近似により
繋ぐことによって閉曲線を生成して、屈折の境界面や全
反射面に対応した斜面をもつＶ字溝を閉曲線に沿って金
型材上に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、明るさにムラがなく良
好な視認性を有する新規な灯具用レンズ及びその金型作
製方法を提供しようとするものである。

【０００２】

【従来の技術】車輌用灯具の中には、ランプボディとア
ウターレンズとによって画成される灯具空間内にインナ
ーレンズを配置し、光源の直射光や反射鏡による反射光
を制御するように構成されているものがあり、インナー
レンズは透明な合成樹脂による型成形品とされ、その一
面にフレネルレンズステップやプリズムステップが形成
される。

【０００３】図１７は平板状をしたインナーレンズａの
要部を示す断面図である。

【０００４】インナーレンズａの入射面には、灯具の光
軸に近い領域にフレネルレンズステップｂ、ｂ、・・・
が形成され、その周りにはプリズムステップｃ、ｃ、・
・・が形成され、電球ｄから出射した光のうち近軸領域
の光をフレネルレンズステップｂ、ｂ、・・・の屈折作
用によって光軸に平行な光線となるように制御し、ま
た、灯具の光軸から離れてインナーレンズａの周辺寄り
の領域に向かう光をプリズムステップｃ、ｃ、・・・で
の全反射によって光軸に平行な光線となるように制御す
る構成となっている。

【０００５】これは、近軸光線についてはインナーレン
ズａに対する入射角が小さいので屈折による光の制御で
対応することができるが、光軸から遠ざかる光について
はインナーレンズａに対する入射角が大きいので屈折に
よる光の制御では困難を伴うためである。

【０００６】ところで、自動車の空力特性の向上やデザ
イン上の要請から、車体形状に丸みが付けられたり流線
型状に近づけるために形状設計が行われるようになる
と、灯具の形状を車体の外形線に合うように湾曲させた
り、あるいは上下方向の傾斜をつけて設計する必要性が
生じるため、インナーレンズのみを平板状のままにする
訳にはいかなくなり、一般には湾曲した形状となる。

【０００７】図１８はインナーレンズの曲面にレンズス
テップを形成する方法の一例を概念的に示すものであ
る。

【０００８】説明を簡単にするため、図示するように球
面にレンズステップを形成する場合を想定すると、同心
円状の基準円ｅ、ｅ、・・・に基づいてレンズステップ
が形成される平板状のインナーレンズｆを設計上の基準
モデルとして、これを球面ｇ上に投射する方法が考えら
れ、この場合、球面に対して形成されるフレネルレンズ
ステップやプリズムステップはやはり光軸に関して同心
円状の基準円ｈ、ｈ、・・・に基づいて形成される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の方法
にあっては、設計が容易であることの裏返しとして正確
な光の制御に関して困難を伴うため、インナーレンズの
全面に亘って平行光線を得ることができず明るさにムラ
が生じるという問題がある。

【００１０】これは、インナーレンズの曲面形状に合わ
せてレンズステップの精緻な光学設計を行っていないた
めに起きる当然の帰結であり、インナーレンズの湾曲の
程度が小さくほぼ平坦な領域では問題ないが、湾曲の程
度が大きく変化する場所においては予定しない光の寄与
によって所望の光度分布からのズレが目立つようにな
る。

【００１１】このような不都合を避けるには、レンズス
テップの形成の仕方に変更を加える必要が生じるが、上
記の方法ではそのための指針が容易に得られないため手
間がかかり、またインナーレンズの仕上がりが設計者の
経験等に依存するといった欠点がある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明灯具用レ
ンズは上記した課題を解決するために、湾曲した部分を
有するレンズの入射面に多数のフレネルレンズステップ
及び／又はプリズムステップが形成された灯具用レンズ
において、フレネルレンズステップの屈折の境界面又は
プリズムステップの全反射面上の任意の点における接線
ベクトルが、フレネルレンズステップの屈折の境界面又
はプリズムステップの全反射面の法線ベクトルとこれら
の面によって屈折し又は反射した後レンズの出射面で屈
折する際の屈折点における出射面の法線ベクトルとの外
積に一致するようにしたものである。

【００１３】また、本発明に係る灯具用レンズの金型作
製方法は、湾曲した部分を有するレンズの入射面に多数
のフレネルレンズステップ及び／又はプリズムステップ
を形成する灯具用レンズの金型作製方法であって、先
ず、レンズの出射光線が平行光線となるように、出射面
上の屈折点における出射面の法線方向と平行光線の向き
から出射面に対する入射光線の向きを屈折の法則を用い
て求めた後、レンズの入射面に対する入射光線の向きと
先に求めた出射面に対する入射光線の向きとに基づい
て、フレネルレンズステップの場合には屈折の法則を用
いて屈折の境界面を求め、またプリズムステップの場合
には反射の法則を用いて全反射面を求める。

【００１４】そして、フレネルレンズステップの屈折の
境界面又はプリズムステップの全反射面の法線ベクトル
と全反射面上の屈折点における出射面の法線ベクトルと
の外積として計算されるベクトルを、屈折の境界面や全
反射面の形成の向きを定める方向ベクトルとして採用
し、これを接線ベクトルとしてスプライン近似により繋
ぐことによって閉曲線を生成して、屈折の境界面や全反
射面に対応した斜面をもつＶ字溝を閉曲線に沿って金型
材上に形成するようにしたものである。

【００１５】

【作用】本発明によれば、レンズの出射面上の屈折点に
対応するフレネルレンズステップの屈折の境界面又はプ
リズムステップの全反射面の傾斜を、出射面の曲面形状
に適合するように、即ち、フレネルレンズステップの屈
折の境界面又はプリズムステップの全反射面によって屈
折又は全反射した後出射面で屈折した光が平行光線とな
るように、光の制御を行うことができるので、精密に制
御しきれない光によって明るさにムラが生じるといった
不都合が解消され、また、光学的に明快な手順に従って
フレネルレンズステップやプリズムステップを設計する
ことができる。

【００１６】

【実施例】以下に、本発明灯具用レンズ及びその金型作
製方法を図示した実施例に従って説明する。

【００１７】図１６は本発明を自動車のテールランプの
インナーレンズに適用した構成例を示すものである。

【００１８】図示するように、灯具１は、自動車の車体
形状に適合するようにアウターレンズ２の出射面が湾曲
した形状に設計される。

【００１９】灯具１は、その反射鏡３の光軸ｘ−ｘが電
球４のフィラメントの中心を通って車輌の前後方向に延
びており、電球４とアウターレンズ２との間にはインナ
ーレンズ５が配置されている。

【００２０】つまり、インナーレンズ５はアウターレン
ズ２の直ぐ内側に位置されており、アウターレンズ２と
同様に車体形状の影響を受けてその出射面６が湾曲した
形状となっている。

【００２１】インナーレンズ５は、平板状の部分５ａと
これに連続して長手方向の一端寄りに近づくにつれて湾
曲された湾曲部５ｂとからなっており、出射面６の内側
の面には、光軸に近い領域にフレネルレンズステップ
７、７、・・・が形成され、その周りにプリズムステッ
プ８、８、・・・が形成されている。

【００２２】図１はフレネルレンズステップ７、７、・
・・による屈折作用について示すものであり、光はレン
ズステップを通過する際に２回屈折する。

【００２３】９はインナーレンズ５の出射面６を代表す
る曲線であり、光軸を含む水平面で出射面６を切ったと
きの断面線を示しており、車体形状に適合する形状とし
て最初に与えられるものである。

【００２４】図中の破線Ｌｆは光路を示しており、ベク
トル「Ｖ＿ＩＮ」は入射光線の方向ベクトル、ベクトル
「Ｖ」は屈折光線の方向ベクトルをそれそれ示してい
る。

【００２５】また、「Ａ」は屈折の境界面Ｓを代表する
直線を示し、ベクトル「Ｎ＿ＩＮ」は入射点「ＰＩ」で
境界面Ｓに立てた法線ベクトルを示している。

【００２６】ベクトル「Ｖ＿ＯＵＴ」は、光の出射面に
おける屈折光線の方向ベクトルを示し、ベクトル「Ｎ＿
ＯＵＴ」は、交線９上の点ＰＯにおける出射面の法線ベ
クトルを表している。

【００２７】最終的な光線の方向ベクトルＶ＿ＯＵＴ
が、光軸ｘ−ｘに平行であることを要求すると光路Ｌｆ
はレンズの厚みを指定すればスネルの法則に従って一意
に規定される。

【００２８】つまり、ベクトルＶ＿ＯＵＴの向きが光軸
ｘ−ｘに平行になること、法線ベクトルＮ＿ＯＵＴとベ
クトルＶ＿ＯＵＴとの間になす屈折角及びインナーレン
ズ５の屈折率からベクトルＶの向きを求めることがで
き、さらにベクトルＶとＶ＿ＩＮから法線ベクトルＮ＿
ＩＮと境界面Ｓを求めることができる。

【００２９】図２乃至図７はフレネルレンズステップ
７、７、・・・の金型の作製方法を段階的に示すもので
あり、光軸を含む平面によってフレネルレンズステップ
７を切ったときの断面形状が三角形状をしていることか
ら明らかなように、金型はステップに対応するＶ字状の
溝をＮＣ加工によって形成することによって作製され
る。

【００３０】先ず、図２に示すように、設計上の出射面
Ｋにおいて、出射点ＰＯでの法線ベクトルＮ＿ＯＵＴ
と、点ＰＯを通り光軸ｘ−ｘに平行な屈折光線の方向ベ
クトルＶ＿ＯＵＴとに基づいてスネルの法則からベクト
ルＶを求める。尚、一般に出射面Ｋは、解析的な関数式
で表現することができない自由曲面である。

【００３１】次に、図３に示すように、ベクトルＶと入
射光の方向ベクトルＶ＿ＩＮとからスネルの法則によっ
て屈折の境界面Ｓ及びその法線ベクトルＮ＿ＩＮを求め
る。

【００３２】そして、図４に示すように、ベクトＮ＿Ｏ
ＵＴとＮ＿ＩＮとの外積（ベクトル積）を求め、これを
ベクトルＷとする。ベクトルＷは境界面Ｓ内に含まれる
ベクトルであり、その向きは境界面Ｓの形成の向きを示
している。

【００３３】図５は、点ＰＯの位置を次々に変えて場所
毎に求められるベクトルＷを、各点での接線ベクトルと
して与えていくことによってスプライン曲線として得ら
れる閉曲線１０を示してしており、この閉曲線１０は光
軸ｘ−ｘを中心として出射面Ｋより光源側に位置する金
型加工上の基準線である。

【００３４】尚、この閉曲線１０を光軸に平行な方向か
ら見たときの形状は一般に円形ではない。これは、各場
所での境界面Ｓが一の球面内に含まれることが如何に特
別な場合であるかを考えれば容易に理解される。

【００３５】図６に示すように、出射面Ｋの下側に形成
される微小な境界面Ｓを通して入射光が屈折され、さら
に出射面Ｋでの屈折を受けて光軸に平行な光となり、こ
のような微小境界面Ｓを閉曲線１０に従って繋ぐことに
より一のフレネルレンズステップに係る連続した境界面
が形成される。

【００３６】図７は、閉曲線１０に沿って加工工具の移
動制御を行い、金型材ＭにＶ字溝１１を形成する様子を
示しおり、Ｖ字溝１１を構成する外周側の斜面１１ａが
フレネルレンズステップ７の入射面の形成に関与する。
尚、Ｖ字溝１１を構成する内周側の斜面が光軸に対して
なす角度は型抜きの都合により一定とされる。

【００３７】次に、プリズムステップ８、８、・・・の
形成について説明する。

【００３８】図８はプリズムステップ８、８、・・・に
よる全反射及び屈折作用について示すものであり、光は
レンズステップを通過する際に屈折後に全反射してから
更に屈折する。

【００３９】１２はインナーレンズ５の出射面６を代表
する曲線であり、光軸を含む水平面で出射面６を切った
ときの断面線を示しており、車体形状に適合する形状と
して最初に与えられる。

【００４０】図中の破線Ｌｐは光路を示しており、ベク
トル「ｖ＿ＩＮ」は入射光線の方向ベクトル、ベクトル
「ｖ」は屈折光線の方向ベクトルをそれそれ示してい
る。

【００４１】また、「Ｂ」は全反射面Ｒを代表する直線
を示し、ベクトル「ｎ＿ＩＮ」は入射点「ＱＩ」で全反
射面に立てた法線ベクトルを示している。

【００４２】ベクトル「ｖ＿ＯＵＴ」は出射面における
屈折光線の方向ベクトルを示し、ベクトル「ｎ＿ＯＵ
Ｔ」は、交線１２上の点ＱＯにおける出射面の法線ベク
トルを表している。

【００４３】最終的な光線の方向ベクトルｖ＿ＯＵＴ
が、光軸ｘ−ｘに平行であることを要求すると、光路Ｌ
ｐはレンズの厚みを指定すればスネルの法則及び全反射
の法則に従って一意に規定される。

【００４４】つまり、ベクトルｖ＿ＯＵＴの向きが光軸
ｘ−ｘに平行になること、法線ベクトルｎ＿ＯＵＴとベ
クトルｖ＿ＯＵＴとの間になす屈折角及びインナーレン
ズの屈折率からベクトルｖの向きを求めることができ、
さらにベクトルｖとｖ＿ＩＮから法線ベクトルｎ＿ＩＮ
と全反射面Ｒを求めることができる。

【００４５】但し、図８では最初に屈折により入射光線
への向きが変化しない、あるいはその変化が無視し得る
程度に小さいという近似を用いている。

【００４６】図９乃至図１４はプリズムステップ８、
８、・・・の金型の形成方法を段階的に示すものであ
り、金型はステップに対応するＶ字状の溝をＮＣ加工に
よって形成することによって作製される。

【００４７】図９に示すように、出射面Ｋ上において、
出射点ＱＯでの法線ベクトルｎ＿ＯＵＴと、点ＱＯを通
り光軸ｘ−ｘに平行な屈折光線の方向ベクトルｖ＿ＯＵ
Ｔとに基づいてスネルの法則からベクトルｖを求める。

【００４８】次に、図１０に示すように、ベクトルｖと
入射光の方向ベクトルｖ＿ＩＮとから反射の法則によっ
て全反射面Ｒ及びその法線ベクトルｎ＿ＩＮを求める。

【００４９】そして、図１１に示すようにベクトｎ＿Ｏ
ＵＴとｎ＿ＩＮとの外積（ベクトル積）を求め、これを
ベクトルｗとする。ベクトルｗは全反射面Ｒ内に含まれ
るベクトルであり、全反射面Ｒの形成の向きを示すもの
である。

【００５０】図１２は、点ＱＯの位置を次々に変えて場
所毎に求められるベクトルｗを、各点での接線ベクトル
として与えていくことによってスプライン曲線として得
られる閉曲線１３を示しており、この閉曲線１３は光軸
ｘ−ｘを中心として出射面Ｋより光源側に位置する加工
上の線である。

【００５１】尚、閉曲線１３を光軸に平行な方向から見
たときの形状は一般に円形にはなっていない。

【００５２】図１３に示すように、入射光は、出射面Ｋ
の下側に形成される微小な入射面Ｉで屈折した後、微小
な全反射面Ｒで反射してさらに出射面Ｋでの屈折を経て
光軸に平行な光となり、このような微小な全反射面Ｒを
閉曲線１３に従って繋ぐことによって一のプリズムステ
ップに係る連続した全反射面が形成される。

【００５３】図１４は、閉曲線１３に沿って加工工具に
より形成されるＶ字溝１４を示しており、Ｖ字溝１４を
構成する内周側の斜面１４ａがプリズムステップ８の入
射面Ｉの形成に関与し、Ｖ字溝１１を構成する外周側の
斜面１４ｂがプリズムステップ８の全反射面Ｒの形成に
関与する。尚、斜面１４ａが光軸に対してなす角度は型
抜きの都合上一定とされる。

【００５４】図１５はインナーレンズの金型について閉
曲線１０、１３のうち光軸に近い領域を部分的に拡大し
て示すものである。

【００５５】前述したように、車輌用灯具に用いられる
レンズは、その形状において複雑に入り組んだ曲面にな
ることは希であり、一般には平板状をした主部とこれに
連続して徐々に湾曲された部分とからなっている場合が
ほとんどである。

【００５６】図中１５、１５、・・・は、金型にＶ字溝
を形成する上で基準となる閉曲線を示しており、そのう
ちＶ−Ｖ線より右側の部分は、インナーレンズ５のうち
平板状の部分５ａにかかるステップの形成に関与し、図
示するようにＨ−Ｈ線上での間隔が一定値となってい
る。

【００５７】尚、閉曲線１５、１５、・・・の起点につ
いては、Ｈ−Ｈ線上の点を選んでいる。

【００５８】また、閉曲線１５、１５、・・・のうちＶ
−Ｖ線より左側の部分は、インナーレンズ５のうち湾曲
部５ｂにかかるステップの形成に関与し、Ｖ−Ｖ線と閉
曲線との交点から出発してＨ−Ｈ線と閉曲線との交点に
向かって閉曲線上を進んでいくと、次第に間隔が広くな
っていく傾向が認められる。

【００５９】つまり、閉曲線１５、１５、・・・は、光
軸を含む水平面によって金型の基準面のうち平らな部分
を切ったときの交線上に閉曲線１５、１５、・・・の形
成起点を一定間隔で配置した後、図５や図１２で説明し
たようなスプライン近似を行うことによって得られ、一
の閉曲線が金型の平らな部分を通る際に略円弧状をな
し、金型の湾曲部を通る際に円弧より外側に膨らんだ形
状となる。

【００６０】よって、インナーレンズのうち平板状の部
分５ａに形成されるステップについては隣接するステッ
プとの境界線が同心円弧状の曲線となり、湾曲部５ｂに
形成されるステップについては隣接するステップとの境
界線が同心円から次第に外れる傾向を持った曲線になる
といった形状上の特徴を有する。

【００６１】しかして、上記したインナーレンズ５にあ
っては、フレネルレンズステップ７、７、・・・及びプ
リズムステップ８、８、・・・の形成過程から明かなよ
うに、インナーレンズ５の出射面６の形状を基準として
各位置での屈折光線の向きが光軸ｘ−ｘに平行な光線と
なるように屈折の境界面や全反射面を規定しているの
で、インナーレンズ５の曲面形状に合わせて正確な光線
の制御を行うことができる。

【００６２】

【発明の効果】以上に記載したところから明らかなよう
に、本発明灯具用レンズ及びその金型作製方法によれ
ば、レンズの出射面の曲面形状に合わせて、出射面上で
の屈折光線が常に平行光線となるようにフレネルレンズ
ステップに係る屈折の境界面又はプリズムステップの全
反射面の傾斜を規定してステップの設計を行うことがで
きるので、光学の法則に従った精緻な配光制御を実現す
ることができる。

【００６３】尚、前記した実施例は本発明を車輌用灯具
のインナーレンズに適用した例を示したが、本発明はこ
れに限らず灯具用レンズ一般に広く適用することができ
ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るフレネルレンズステップについて
説明するための光路図である。

【図２】フレネルレンズステップに関するレンズの出射
面での屈折について示す図である。

【図３】フレネルレンズステップの屈折の境界面での屈
折について示す図である。

【図４】フレネルレンズステップの屈折の境界面につい
て形成の向きを示す図である。

【図５】フレネルレンズステップの屈折の境界面を加工
過程で必要となる閉曲線について示す図である。

【図６】フレネルレンズステップの一部分について光路
を示す図である。

【図７】フレネルレンズステップの屈折の境界面に対応
する金型のＶ字溝について示す図である。

【図８】本発明に係るプリズムステップについて説明す
るための光路図である。

【図９】プリズムステップに関するレンズの出射面での
屈折について示す図である。

【図１０】プリズムステップの全反射面での反射につい
て示す図である。

【図１１】プリズムステップの屈折の境界面について形
成の向きを示す図である。

【図１２】プリズムステップの全反射面の加工過程で必
要となる設計上の閉曲線について示す図である。

【図１３】プリズムステップの一部分について光路を示
す図である。

【図１４】プリズムステップの全反射面に対応する金型
のＶ字溝について示す図である。

【図１５】インナーレンズの金型作製にあたってＶ字溝
の形成のための閉曲線の形状を示す図である。

【図１６】車輌用灯具の構成例を概略的に示す断面図で
ある。

【図１７】平板状のインナーレンズに形成されたフレネ
ルレンズステップとプリズムステップを示す概略的な断
面図である。

【図１８】平板状のインナーレンズにフレネルレンズス
テップとプリズムステップを形成する上で設計上必要と
なる同心円状の基準円を、球面に投影する様子を示す概
略図である。

【符号の説明】

５ 灯具用レンズ ５ｂ 湾曲した部分 ７ フレネルレンズステップ ８ プリズムステップ １０、１３ 閉曲線 １１、１４ Ｖ字溝 Ｓ 境界面 Ｒ 全反射面 Ｎ＿ＩＮ （境界面の）法線ベクトル ｎ＿ＩＮ （全反射面の）法線ベクトル Ｋ 出射面 Ｎ＿ＯＵＴ、ｎ＿ＯＵＴ （出射面の）法線ベクトル Ｗ、ｗ 外積 Ｍ 金型材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 湾曲した部分を有するレンズの入射面に
   多数のフレネルレンズステップ及び／又はプリズムステ
   ップが形成された灯具用レンズにおいて、フレネルレン
   ズステップの屈折の境界面又はプリズムステップの全反
   射面上の任意の点における接線ベクトルが、フレネルレ
   ンズステップの屈折の境界面又はプリズムステップの全
   反射面の法線ベクトルと、これらの面によって屈折し又
   は反射した後レンズの出射面で屈折する際の屈折点にお
   ける出射面の法線ベクトルとの外積に一致することを特
   徴とする灯具用レンズ。
2. 【請求項２】 湾曲した部分を有するレンズの入射面に
   多数のフレネルレンズステップ及び／又はプリズムステ
   ップを形成する灯具用レンズの金型作製方法であって、
   （１）レンズの出射光線が平行光線となるように、出射
   面上の屈折点における出射面の法線方向と平行光線の向
   きから出射面に対する入射光線の向きを屈折の法則を用
   いて求めた後、（２）レンズの入射面に対する入射光線
   の向きと（１）で求めた出射面に対する入射光線の向き
   とに基づいて、フレネルレンズステップの場合には屈折
   の法則を用いて屈折の境界面を求め、またプリズムステ
   ップの場合には反射の法則を用いて全反射面を求め、
   （３）（２）の境界面又は全反射面の法線ベクトルと
   （１）の屈折点における出射面の法線ベクトルとの外積
   として計算されるベクトルを、（２）の境界面や全反射
   面の形成の向きを定める方向ベクトルとして採用し、
   （４）（３）で求めた方向ベクトルを接線ベクトルとし
   てスプライン近似により繋ぐことによって閉曲線を生成
   し、（５）（２）の境界面や全反射面に対応した斜面を
   もつＶ字溝を（４）の閉曲線に沿って金型材上に形成す
   る、ことを特徴とする灯具用レンズの金型作製方法。