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【発明の名称】 照明装置
【発明者】 【氏名】ヘルムート ティースラー−ウィッティッヒ
【要約】 【課題】自動車用の照明装置、及び所要形状の光ビームを発生する方法であって、光源の他の光学的構成部材に対する正確な位置決めが装置全体の光出力及び効率、並びに所要の光ビームの発生に僅かにしか影響を与えることのない照明装置及び光ビーム発生方法を得る。

【解決手段】特に自動車用の照明装置であり、好適には、高出力放電ランプ、特に、低電圧キセノンランプの形式の少なくとも１個の光源１２と、この光源を少なくとも部分的に包囲し、光源から発生する光を集光しかつ少なくとも１個のセパレータ１６に通過させるコレクタ１４と、光導波材料の少なくとも１個のセパレータ１６とを具え、各セパレータ１６には、セパレータ１６内に案内された光を特定形状の光ビームとして放射するための少なくとも１個の特別形状の光出射面２６を設ける。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 特に自動車用の照明装置であり、好適には、高出力放電ランプ、特に、低電圧キセノンランプの形式の少なくとも１個の光源と、この光源を少なくとも部分的に包囲し、光源から発生する光を集光しかつ少なくとも１個のセパレータに通過させるコレクタと、光導波材料の少なくとも１個のセパレータとを具え、各セパレータには、セパレータ内に案内された光を特定形状の光ビームとして放射するための少なくとも１個の特別形状の光出射面を設けたことを特徴とする照明装置。
【請求項２】 前記光源、前記コレクタ及び前記セパレータは錯綜した放射経路を生ずるように配置した請求項１記載の照明装置。
【請求項３】 前記コレクタ及び前記セパレータを、前記コレクタによって発生する光源の像の少なくとも一部がセパレータの入射瞳の範囲内に存在するように配列した請求項２記載の照明装置。
【請求項４】 前記光源を、６０゜以下好適には、２０゜〜４０゜の間の範囲のアパーチャを有する光源とした請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項５】 前記コレクタの光出射面を、照明装置の通常の動作中コレクタの光出射面から放出される光ビームがシャープな明暗遷移のエッジを有する形状に形成した請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項６】 前記コレクタを、このコレクタによって集光される光がコレクタの内面での反射により少なくとも１個のセパレータの光入射面に案内される形状に形成した請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項７】 前記光源がコレクタの一部をなすようにした請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項８】 数個のセパレータ、例えば、６〜１０個のセパレータを設け、これらセパレータを、照明装置の通常の動作中セパレータによって放射された光ビームの重なり合いにより所要形状の光ビームが得られるよう構成した請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項９】 少なくとも１個のセパレータを、動作上の取付位置でコレクタを介してセパレータに案内された光の少なくとも一部分が全反射によって光出射面に指向されるよう構成した請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項１０】 動作上の取付位置で、セパレータによって放出される光の主放射方向に測ったセパレータ及びコレクタの長さが８０ｍｍ〜２００ｍｍの間の寸法にし、また自動車に使用する照明装置の場合、好適には８０ｍｍ〜１２０ｍｍの範囲の寸法とした請求項１乃至９のうちのいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項１１】 動作上の取付位置で、セパレータによって放出される光の主放射方向に交差する方向に測ったセパレータの直径が６０ｍｍ〜２００ｍｍの間の寸法、自動車に使用する照明装置の場合６０ｍｍ〜１００ｍｍの間の寸法とした請求項１乃至１０のうちのいずれか一項に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、照明装置、特に、自動車用の照明装置、及び所要形状の光ビームを発生する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】照明装置及びこの照明装置に関連即ち、く光ビームを発生する方法は、種々の用途で長年知られている。光源によって発生した光を種々の光学的手段によってビームに整形して所要形状の光ビームを得るのはあらゆる照明装置及び方法に共通である。自動車の分野で広範囲に使用される光源としてはハロゲン白熱ランプであり、近年ガス放電ランプが増加しており、特に、低電圧ガス放電ランプ、例えば、いわゆるＭＰＸ（Micro Power Xenon)ランプが増加している。この放電ランプは、実際、有効寿命及びパワー損失に関して白熱ランプよりも大きな利点があるが、これによって発生する光のアークは白熱ランプのコイルに比べて正確な境界区切りを持たず、従って、光学的にまた測光学的に制御が困難である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】光源によって発生する光から所要の光ビームを形成するためには、あらゆる放物曲面のリフレクタが知られており、この放物曲面のリフレクタは光を照明すべき表面、即ち、自動車の場合は道路表面に直接投光する。最終ビーム成分は発散レンズ、通常はプリズムレンズとシリンドリカルレンズアレイの組み合わせの発散レンズを使用することによって得られ、この発散レンズは照明装置の前面を閉鎖する。更に、楕円リフレクタが光源をランプ前方の数センチメートルの距離に結像する投光装置が知られている。金属プレートを自動車ヘッドライトのこの平面に隣接して特別形状の機械的カットオフ絞り（ダイヤフラム）として配置し、通過するビームに必要な明暗エッジを発生するようにしている。投光レンズはこのカットオフ及び光源を道路表面に結像する。極めて高いコントラストの明暗エッジはこのビーム発生原理によって発生することができ、ただしはっきりとしたカラーエッジング効果を示す。
【０００４】ビーム特性の改良は、いわゆる複合形状又は複合輪郭のリフレクタを使用することによって得られる。リフレクタの幾何学的形状（ジオメトリ）は、ヘッドライトのビームに対する効果の観点から小さいセグメントに分けて計算する。リフレクタのジオメトリは、従って、古典的な回転対称（楕円又は放物線）表面とは異なる形状で形成される。ハロゲン白熱ランプを含むヘッドライトにおける複合形状のリフレクタではスクリーンキャップを設けることなく明暗エッジで十分高いコントラストが得られる。このようなリフレクタの場合改良したリフレクタのジオメトリの効果により、ビームに影響する発散フロントレンズは不要になる。この場合、透明なカバーディスクで十分である。
【０００５】光源からの光を集光してヘッドライト用ビームを創出する広いアパーチャを有する既知の照明装置のリフレクタにおける光源の位置決めには高度な必要条件が課せられる。このことは光源としてガス放電ランプを使用する場合には特に顕著である。即ち、光のアークは白熱ランプのコイルに比べてシャープな境界を持たないためである。
【０００６】ビーム品質に課せられるますます厳しくなる必要条件が増えていることも、リフレクタにおける光源の位置決め要件に厳しさが加わってきている要因になっている。この光源は原則的には交換可能に支持すべきであるため、正確な位置決めが問題になっている。一方、ランプは簡単かつ迅速に固化することができなければならないとともに、他方、確実かつ正確に固定しなければならず、また手ごろなコストで使用できる固定装置を製造することができなければならない。このことは、使用される固定装置の製造公差によって装置全体の効率及び光の出力が制限される結果となる。
【０００７】上述の観点から、本発明の目的は、照明装置、特に、自動車用の照明装置、及び所要形状の光ビームを発生する方法であって、光源の他の光学的構成部材に対する正確な位置決めが装置全体の光出力及び効率、並びに所要の光ビームの発生に僅かにしか影響を与えることのない照明装置及び光ビーム発生方法を得るにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため、本発明は、特に自動車用の照明装置であり、好適には、高出力放電ランプ（ＨＩＤランプ：High Intensity Discharge lamp）、特に、低電圧キセノンランプ（ＭＰＸＬ：Micro Power Xenon Light）の形式の少なくとも１個の光源と、この光源を少なくとも部分的に包囲し、光源から発生する光を集光しかつ少なくとも１個のセパレータに通過させるコレクタと、光導波材料の少なくとも１個のセパレータとを具え、各セパレータには、セパレータ内に案内された光を特定形状の光ビームとして放射するための少なくとも１個の特別形状の光出射面を設けたことを特徴とする。
【０００９】本発明による照明装置の構成は相当多くの利点がある。コレクタの適当な構造によって、例えば、自動車の分野におけるパッシングビームのために必要な明確に規定される明暗エッジを吸収もなく発生することができ、また１個又は好適には、数個のセパレータによってこのエッジを結像することができる。これに対して、これまではこのエッジは、発生した光の一部を遮蔽し、従って、関連の照明装置の効率を不必要に減少させるカットオフ絞り（ダイヤフラム）によって発生させていた。本発明による照明装置では、光源によって発生する光の全量を照明に利用でき、従って、極めて効率が高くなる。
【００１０】更に、本発明照明装置の大きな利点は、照明装置を極めてコンパクトにすることができ、構造上の寸法を通常の装置よりも相当大幅に減少することができる点である。
【００１１】好適な実施例においては、光源、コレクタ及びセパレータは、いわゆる錯綜した放射経路を生ずるよう配置する。このため、セパレータ及びコレクタは、コレクタによって生じた光源の像の一部が各セパレータの入射瞳の範囲内にくるように、互いに相対配置する。このようにして、（光源の像の）照明ビーム経路と（結像すべき物体即ち、この場合はコレクタの像の）結像ビーム経路との分離は有利に行われ、従って、光出射面がシャープな明暗エッジを生ずることができるようになる。
【００１２】明暗エッジが照明ビーム経路の入射瞳に又はそれに隣接して位置する場合、光源の不正確な整列は明暗エッジのコントラストには影響しないか、ほとんど影響しない。本発明によれば、光発生表面に存在する物体として見なされる鋭利なエッジを有するコレクタは、既知の集光レンズ又は光学的照明装置の機能を受け継ぐ。
【００１３】特に、本発明装置の光源の寸法はヘッドライトビームのアパーチャに実質的に影響を与えず、単にセパレータの直径に影響を与えるだけである。これに対し、現在市販されている自動車用ヘッドライトにおける光源は、道路表面上に直接結像される。即ち、リフレクタの各セグメントが白熱ランプのコイル又は光のアークの鮮明な像を道路表面上に生ずる。
【００１４】セパレータの直径が仮想光源像の寸法より大きいか、又は少なくとも等しい場合には、放射ビームはカットオフされず、照明装置の効率は極めて高い。
【００１５】放射された光ビームの形状の白熱ランプのコイルの寸法及びアライメントからの分離によれば、通常の測光学上の問題なく、光源を起源とする光ビームのアパーチャを小さくすることができるようになり、この小さいアパーチャは原則的に望ましいものである。即ち、コレクタが極めて高い効率で動作する場合には、コレクタの構造上の寸法は直接このアパーチャに依存するからである。６０゜以下の、好適には、２０゜〜４０゜の間の、場合によってはこれより小さいアパーチャを有する光源を使用することができる。
【００１６】錯綜したビーム経路は、普通の放電ランプを使用しても効率を向上させることができる。これは、即ち、このような放電ランプの動作中に形成されるいわゆる塩の容器内で塩が散乱されるように光を利用できるからである。錯綜したビーム経路は、アークがもはやヘッドライトビームとしてシャープに結像される必要がないことを意味し、これにより、光のより激しい散乱もビームには僅かな影響しか与えないようになる。
【００１７】ランプバルブを有する放電ランプを光源として使用する場合、円筒形又は湾曲したバルブ形状の放電ランプが特に好適であることがわかった。
【００１８】コレクタは、中実の固体構成部材として構成とするよく、また透明で耐熱性のある材料、好適には、ガラスによって形成する。使用する光源に基づいて、コレクタは光導波特性を有する合成樹脂によって形成することができ、合成樹脂の場合ガラスに比べて重量の点で利点がある。しかし、通常のガス放電ランプを使用する場合には大きな発熱があるため、ほんの僅かな合成樹脂しかコレクタ材料として適さない。
【００１９】コレクタは環状の光出射面を有するものとすると好適であり、この場合、１個の同一の「標準」コレクタ形状だけで異なるセパレータを使用する多数の用途にも使用することができるようになり、有利である。
【００２０】所要の光ビームの形状及び用途にによっては、１個のセパレータのみをコレクタの背後に配置するだけで十分である。しかし、特に、自動車の分野におけるパッシングビームに必要な光ビームを発生するためには、コレクタから数個、好適には、６〜１０個のセパレータに配分し、次いでセパレータによって放射された光ビームを重ね合わせて所要形状の光ビームを形成するようにすると特に好適であることがわかった。
【００２１】セパレータから発生する光を散乱させることが望ましい場合には、セパレータの光出射面を発散レンズと同様の構造にするとよい。この構成は、個別の発散レンズ、及び従って、常に光の損失を伴う材料‐空気‐材料という光の遷移を省くことができるという利点がある。
【００２２】
【発明の実施の形態】次に図面につき本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００２３】図１に本発明による照明装置１０を示し、主要構成部材としては、放電ランプ１２の形式の光源と、コレクタ１４と、互いに結合してコレクタ集合体をなす多数のセパレータ１６とを有し、これら主要構成部材を光透過性の前面２０を有する共通のハウジング１８内に配置する。放電ランプ１２を動作させるに必要な構成部材及び安定器２２を、ハウジング１８内に既知の個別保持手段によって、適切に、できれば調整自在にして保持する。
【００２４】コレクタ１４及びセパレータ１６を中実の固体構成部材とし、このことは、光の案内及び光ビーム形成が通常のシステムとは異なって透明材料内部で生じ、また光が光源から照明装置の外部に向けて空気ではなく固体の媒体を経て移動することを意味する。
【００２５】コレクタ１４を図２及び図３において対応の断面で示す。本発明の特徴部分はこれらの図面から明らかであり、この特徴が本発明照明装置の高い照明効率に寄与する。即ち、コレクタは放電ランプ１２を「抱き込み」、より正確に言えば、放電ランプの電極が配置されかつランプの動作中に光のアークを形成する領域を包囲するためである。このようにして、コレクタは発生する光のほぼすべてを捕捉する。この目的のため、コレクタの光入射面２４は、放電ランプ１２を包囲しかつ軸線方向の境界面が放電ランプ１２のバルブが占める領域の外側にくるように構成する。
【００２６】図示の実施例では、放電ランプ１２はコレクタ１４に対してランプの電極が所望の光ビームの放射方向にほぼ平行に延在する直線上に位置するよう位置決めする。この状態は、いわゆる「横方向バーナー位置」とは対比される「軸線方向バーナー位置」と称され、この状態ではバーナーによって発生する光の一部が所望の光ビームの方向に直接放射される。
【００２７】横方向バーナー位置では、光の一部は反射面を介して所望の方向に案内されるよう導かれなければならない。直接放射光と反射光とを混合して光ビームを形成するのは実現が困難であり、リフレクタ又コレクタに対してバーナーを正確に整列させるという、従って、極めて面倒な作業を必要とする。従って、図示の実施例の軸線方向バーナー位置は全体的に好ましい。
【００２８】軸線方向バーナー位置では、照明装置によって発生すべき所望の光ビームの方向に光は放射されず、すべての光はコレクタの影響を受けてビームの方向に案内される。このことによりコレクタの所望の光出力分布を得ることが一層容易になる。
【００２９】この実施例のコレクタ１４は約１５゜〜２５゜の間の放射方向アパーチャを有し、光源に対向する円錐形の光入射面２４及び環状の光出射面２６を設ける。コレクタ１４の回転対称形状の構造によれば、例えば、自動車のヘッドライト、右側通行用ビーム及び左側通行用ビームに使用するときのように、１個のかつ同一のコレクタにより異なる光ビームを発生することができるようになって有利である。これによって、同一のコレクタで種々のヘッドライトのモデルを経済的に製造することができるようになる。このとき、セパレータのみを交換するだけでよい。
【００３０】コレクタの形状に基づいて、コレクタ１４の外側面２８を少なくとも部分的に反射性にし、ランプ１２から放射されて光入射面からコレクタ１４に受光される光のほぼ全体を光出射面２６に案内することを確実にすることは有用である。コレクタ１４の反射性の外側面２８は回転楕円面の形状にする。
【００３１】原理的には、コレクタは、所望の反射が外側面で全反射を生ずる形状にすることができるが、外側面の少なくとも部分的な反射特性付与によってコレクタの構造を特別にコンパクトにし、装置全体の構造的寸法を短くすることができる。
【００３２】コレクタの光出射面２６は、照明装置の通常動作中に光出射面２６から放出される光ビームがシャープな明暗遷移を有する形状にする。このような明暗遷移はセパレータによって結像され、従って、所望の形状の光ビームは重ね合わせによって得られる。
【００３３】コレクタの内面３０は、コレクタを光源に対して正確に取付けたとき全反射を生ずる形状に形成する。放射経路を図４及び図５に示す。
【００３４】図４及び図５は、例えば、照明装置の通常動作における光線経路ａ，ｂ，ｃ，ｄ及びｅを示す。全反射は位置３２，３４、即ち、コレクタ１４の境界面及びセパレータ１６の境界面で生ずる。
【００３５】セパレータ１６は、図示の実施例では理想的にはコレクタ１４のアパーチャ配光を利用する。セパレータの光入射面３６及び光出射面３８の曲率中心は、それぞれ子午線的焦点面上に存在する。この方向に対してコレクタは約１５゜のアパーチャを有する。この方向に直交する方向においてこのアパーチャは単に数度のみの角度であり、この方向にはセパレータは結像作用は必要ではない。このようにして、高コントラストのエッジの結像に干渉することなくセパレータの長手方向表面での全反射を利用することができる。
【００３６】高出力の光源は一般的な使用では可視レンジの光だけでなく、紫外レンジの光も発生するため、ＵＶ放射保護の観点からＵＶ吸収対策を放射経路に施すことは有用であるが、特に、セパレータの使用寿命を延ばす意味からも有意義であり、このＵＶ吸収対策は例えば、ポリメチルメタクリレートのような合成樹脂で形成すると都合がよく、またこのＵＶ吸収対策は一般的にはＵＶ放射によって劣化する。
【００３７】このような対策はそれぞれの用途に最も適合する広範囲の方法で設けることができる。従って、例えば、光源１２とコレクタ１４との間に、又はコレクタ１４とセパレータ１６との間に、１個又は数個のＵＶフィルタを配置することができる。代案として、コレクタを例えば、ガラスのようなＵＶ吸収材料で形成するだけでも十分である。光源１２、又はコレクタの光入射面及び／又は光出射面、又はセパレータの光入射面及び／又は光出射面のうちの少なくとも一つにＵＶ吸収層を設けることができる。光源におけるコーティングは、動作中に発生する高温によって剥がれがちであるため、通常はコレクタの光出射面又はセパレータの光入射面におけるコーティングが望ましい。
【００３８】セパレータ１６は湾曲した光入射面３６及び湾曲した光出射面３８を有する。各セパレータ１６は、好適には、例えば、ポリメチルメタクリレートのような良好な光導波特性を有する合成樹脂で形成した中実の固体構成部材とする。確かにガラスに比較すると合成樹脂は耐熱性が低いが、本発明による構成は光源及びセパレータが熱的に分離されており、従って、セパレータは適度な発熱のみにさらさせるだけとなるという大きな利点がある。
【００３９】本発明による照明装置は図４及び図５に示すように動作する。光はコレクタ１４によって集光され、織り込まれた放射経路の形成体の下にセパレータ１６に指向する。コレクタは光導波機能を行なうのみならず、光源１２によって放射される光のアパーチャを減少するし、また出射面において所定配光を生ずる。光ビームは吸収なしに光出射面の端縁で放出され、通常例えば、自動車におけるパッシングビームを発生するときのような所要の明暗遷移を有する。
【００４０】このとき、光ビームはセパレータ１６に案内され、全反射によって特別な形状の光出射面に向かい、この光出射面で光ビームはセパレータから退出し、また重ね合わされて所要形状の光ビームを形成する。
【００４１】多種多様な変更及び改良も、例えば、セパレータの形状及び数に関連する変更も本発明の基本理念の範囲内とすることができる。同様に、コレクタ、及び少なくとも１個のセパレータを一体ユニットとして形成することもできる。光源をコレクタの一体部分として形成する、即ち、ランプガラスがコレクタを形成する形状とすることによって効率を向上させることもできる。この構成によれば、集光素子によりバーナーを完全に包囲してアークからより多くの光を捕捉することができるようになる。コレクタとして構成したランプは通常のランプよりも高価であることは確かであるが、ガス放電ランプの今後の開発が動作寿命を相当長く延ばすことを意図しているため、ランプ交換は極めてまれにしか行なわれず、複雑な構成のこのようなランプを使用することも商業的には訴求力があるように見える。
【出願人】 【識別番号】５９００００２４８
【氏名又は名称】コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ
【氏名又は名称原語表記】Ｋｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｎ．Ｖ．
【住所又は居所原語表記】Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ １，５６２１ ＢＡ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ， Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ
【出願日】 平成１３年１０月２４日（２００１．１０．２４）
【代理人】 【識別番号】１０００７２０５１
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 興作 （外１名）
【公開番号】 特開２００２−１５０８１４（Ｐ２００２−１５０８１４Ａ）
【公開日】 平成１４年５月２４日（２００２．５．２４）
【出願番号】 特願２００１−３２６５９８（Ｐ２００１−３２６５９８）