JP6537738B2 - 光学素子、照明器具、光学素子を作製するための方法及び非一時的コンピューター可読記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は光学素子に関し、より具体的には、照明パターンを生成するために入射光を変換する自由形状光学面を有する光学素子に関する。

非結像光学素子の分野では、光源によって放射される入射光を任意の照明パターンに変換する光学面を設計する方法が長らく求められてきた。過去２０年間、ゼロエタンデュの場合に、すなわち、光線が厳密に平行であるか、又は厳密に単一の点から発散する理想化の場合に、実質的な進歩がなされた。この理想化は、放射光内の光線と対象照明パターン内の光線との間の一対一対応を可能にする。この一対一対応は、設計上の問題を、その面の反射又は屈折が放射光の断面内の光線の空間密度と、対象照明パターン内の光線の空間密度との間の一対一写像を実現する光学面を特定することに軽減する。大抵の場合にゼロエタンデュ系に相当する、初期密度と対象密度との間の滑らかな写像が可能である場合には、その写像は、最適大量輸送（optimal mass transport）の分野から取り入れられた方法を用いて見つけることができる。結果として形成される光学素子は、非常に複雑な照明パターンを生成することができ、例えば、写真画像を投影することができる。これらの光学面は、単にその形状が、レンズ及びミラーに通常関連付けられる単純な代数面のいずれよりも複雑であるので、包括的に自由形状光学面と称される。

実際には、ゼロエタンデュ光源は存在しない。実際の光源、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）は空間的な広がりを有し、すなわち、光線が点ではなく、或る面積から放射され、これらの光線はその伝搬中に交わり、一対一写像を不可能にし、その問題を最適大量輸送が解くことができる範囲の外に追いやる。自由形状光学面が、空間的に広がった光源によって照明される場合には、結果として生じる照明パターンは、曇りの日の影がぼんやりし、はっきりしなくなるほど著しくぼやける。熱力学の第二法則によれば、このぼやけは不可避であるので、空間的に広がった光源の場合の自由形状光学素子は通常、はっきりしない、ぼやけた照明減衰域によって包囲される何らかの有界エリア内で近似的に均一な照明を達成するように設計される。

例えば、同時多面（ＳＭＳ：simultaneous multiple surfaces）の方法が、空間的に広がった光源のエッジからの光線を所望の対象点に向けることによって均一な照明を達成する。そのようにして、それらの光線は、何らかの、未知であるが、許容できる密度を形成する。しかしながら、結果として生じる照明パターンのエッジは依然としてぼやける。

本発明者らが知る限りでは、現時点では、空間的に広がった光源からの入射光を、鮮明なエッジを有する対象照明パターンに変換することができる方法はない。しかしながら、そのような方法は、看板照明用の光学素子及び車両のヘッドライト用の光学素子等の、幾つかの光学的な適用例の場合に有益である可能性が高い。

本発明の幾つかの実施形態は、空間的に広がった光源の形状が鮮明な境界を有することができ、自由形状光学面が、空間的に広がった光源によって放射される入射光を、同じく鮮明な境界を有する広がった光源の像に変換することができるという認識に基づく。しかしながら、自由形状光学面の照明によって生成されることが望まれる通常の対象照明パターンは、空間的に広がった光源の形状よりはるかに複雑な形状を有する。

本発明の幾つかの実施形態は、入射光を空間的に広がった光源の複数の像に変換するように自由形状光学面を設計できるという理解に基づく。さらに、それらの複数の像は、合わせて対象照明パターンを形成するように戦略的に配置することができる。空間的に広がった光源の複数の像のそのような集団配置は、本明細書において像のコンスタレーションと呼ばれる。コンスタレーション内の像は合焦させることができ、及び／又は合焦させないことができるが、合焦した像のうちの少なくとも幾つかを対象照明パターンの輪郭に沿って配置し、その鮮明なエッジの境界を形成することができる。

そのために、幾つかの実施形態は、空間的に広がった光源によって放射される入射光を、広がった光源の像のコンスタレーションに変換する自由形状光学面を有する光学素子を開示する。コンスタレーション内の像を混合して、境界の少なくとも一部に沿って鮮明なエッジを有する照明パターンを形成する。それらの像は光源の部分的に合焦した像を含み、合焦した画像のエッジが照明パターンの鮮明なエッジの境界を形成することに関与する。

本発明の幾つかの実施形態は、２つの隣接する像を一緒にタイリングすることによって、又は重ね合わせられた像の集団強度がタイリングされた像の強度と同等であるように、不鮮明にされた像若しくは合焦していない像を重ね合わせることによって、複数の像の混合物によって形成される照明パターンの滑らかさを達成できるという別の理解に基づく。例えば、一実施形態において、像のコンスタレーション内の少なくとも２つの像が、第１の強度を有する第１の滑らかな結合像（joint image）を形成するように互いに隣接し、像のコンスタレーション内の少なくとも２つの像が、第２の強度を有する第２の滑らかな結合像を形成するように互いに少なくとも部分的に重ね合わせられる。この実施形態において、第２の滑らかな結合像を形成する像は、第１の強度と第２の強度との差がしきい値未満であるように不鮮明にされる。

本発明の幾つかの実施形態は、ゼロエタンデュ光源の場合に、像のそのようなコンスタレーションと、このコンスタレーションを生成することができる対応する自由形状光学面とを、例えば、最適大量輸送法を用いて特定することができるが、空間的に広がった光源の場合の同様の計算が、極めて大きな計算量になるという認識に基づく。しかしながら、ゼロエタンデュ光源の場合に特定された自由形状光学面が、空間的に広がった光源で照明される場合には、結果として生じる照明パターンはぼやける、すなわち、鮮明なエッジの境界を有しない。

しかしながら、本発明の幾つかの実施形態は、空間的に広がった光源によって導入される望ましくないぼやけを有利に利用できるという理解に基づく。具体的には、空間的に広がった光源によって導入されるぼやけは、ぼやけ関数によって特定し、記述できることが理解された。そのぼやけ関数が既知である場合には、ぼやけ関数に従って新たな照明パターンがぼやけるときに、ぼやけた新たな照明パターンが実際には対象照明パターンになるような、新たな照明パターンを生成する自由形状光学面を設計することができる。この新たな照明パターンは、本明細書において、ぼやけ修正照明パターンと呼ばれる。

通常、対象照明パターンの異なるピクセルの場合に、ぼやけ関数内のカーネルは異なる。そのために、そのようなぼやけ関数は通常、空間的に異なるぼやけ関数である。したがって、本発明の幾つかの実施形態は、ゼロエタンデュ光源によって照明されるときに、空間的に異なるぼやけ関数で対象照明パターンのぼやけを修正することによって生成されるぼやけ修正照明パターンを形成する、そのような自由形状光学面を特定した。

したがって、１つの実施形態は、空間的に広がった光源によって放射される入射光を該空間的に広がった光源の像のコンスタレーションに変換する自由形状光学面を有する光学素子であって、該コンスタレーション内の該像を混合して、境界の少なくとも一部に沿って鮮明なエッジを有する対象照明パターンを形成し、該像は合焦した像を含み、該合焦した像のエッジが、該対象照明パターンの鮮明なエッジの境界を形成することに関与する、光学素子を開示する。

別の実施形態は、光学素子を作製する方法を開示する。本方法は、空間的に広がった光源によって放射される入射光を該空間的に広がった光源の像のコンスタレーションに変換する自由形状光学面を特定することであって、該像を混合して、境界の少なくとも一部に沿って鮮明なエッジを有する対象照明パターンを形成し、該像は合焦した像を含み、該合焦した像のエッジが、該対象照明パターンの鮮明なエッジの境界を形成することに関与することと、前記自由形状光学面を有する前記光学素子を作製することとを含む。

更に別の実施形態は、方法を実行するためにプロセッサによって実行可能なプログラムが具現される非一時的コンピューター可読記憶媒体を開示する。本方法は、ゼロエタンデュ光源によって放射される入射光を対象照明パターンに変換する初期自由形状光学面を特定することと、空間的に広がった光源によって照明された前記対象照明パターンのぼやけを捕らえる空間的に異なるぼやけ関数を特定することと、前記空間的に異なるぼやけ関数で前記対象照明のぼやけを修正し、前記ぼやけ修正照明パターンを特定することと、ゼロエタンデュ光源によって放射される入射光を前記対象照明パターンに変換する自由形状光学面を特定することであって、前記自由形状光学面が前記空間的に広がった光源によって放射される入射光を前記広がった光源の像のコンスタレーションに変換するようにし、前記像を混合して、境界の少なくとも一部に沿って鮮明なエッジを有する対象照明パターンを形成し、前記像は合焦した像を含み、前記合焦した像のエッジが、前記対象照明パターンの鮮明なエッジの境界を形成することに関与することとを含む。

対象照明パターンを形成するために本発明の幾つかの実施形態によって使用される光源の像を生成する結像光学素子の図である。 本発明の幾つかの実施形態によって対処される問題の図である。 本発明の幾つかの実施形態による、ぼやけ関数の利用の図である。 像のピクセルをぼやけたバージョンに変換するぼやけ関数のカーネルの一例の図である。 本発明の一実施形態による、対象照明パターンを生成するための自由形状光学面を有する光学素子を作製するための方法のブロック図である。 本発明の種々の実施形態に従って特定された光学素子を有する照明器具の例の図である。 本発明の種々の実施形態に従って特定された光学素子を有する照明器具の例の図である。 本発明の種々の実施形態に従って特定された光学素子を有する照明器具の例の図である。 幾つかの実施形態によって生成された種々の対象照明パターンの異なる非限定的な例の図である。 幾つかの実施形態によって生成された種々の対象照明パターンの異なる非限定的な例の図である。 幾つかの実施形態によって生成された種々の対象照明パターンの異なる非限定的な例の図である。 照明器具が車両のヘッドライトの少なくとも一部を形成する実施形態の概略図である。 本発明の幾つかの実施形態による、対象照明パターンの鮮明なエッジの境界の場合の光強度のグラフである。 本発明の幾つかの実施形態による、自由形状光学面の幾何学的形状を特定するための方法のブロック図である。 ゼロエタンデュ光源からの入射光を対象照明パターンに変換する自由形状光学面を特定するために幾つかの実施形態によって使用される方法の流れ図である。 本発明の一実施形態による、空間的に異なるぼやけ関数を特定するための方法のブロック図である。 本発明の幾つかの実施形態による、空間的に異なるぼやけ修正のための方法の流れ図である。 本発明の種々の実施形態による方法を実行するためにプロセッサによって実行可能なプログラムがその上に具現された非一時的コンピューター可読媒体の例示的な概略図である。

本発明の幾つかの実施形態は、空間的に広がった光源がぼやけた照明パターン（例えば、はっきりしない影）を生成するときに、それぞれが光源自体の境界の鮮明なエッジを受け継ぐ、空間的に広がった光源の複数の合焦した像を生成する光学面を設計することができるという、結像光学素子に由来する洞察に基づく。

図１は、対象照明パターンを形成するために本発明の幾つかの実施形態によって使用される光源の像を生成する結像光学素子の図を示す。光源のそのような像は、本明細書において光源像とも呼ばれる。光源像は、合焦させることができるか、又は合焦させないことができる。

空間的に広がった光源１０が、光線１１を、光学面１２を有する光学素子の中に放射する。例示的な点又はピンホール１３及び１４が、空間的に広がった光源１０の出射開口上に、又は光学面１２上に小さな特異エリアを画定する。光学面に入射する光は、光学面の複数の点によって変換され、スクリーン１５上に投影される。この例において、スクリーン１５上に投影される微小強度分布１６及び１７はそれぞれ、点１３及び１４から到来する光源１０の光源像である。光源像１６又は１７はそれぞれ鮮明なエッジを有することができるが、それらの像１６及び１７の相互配置が制御されない場合には、像が重ね合わせられ、それらの像の鮮明なエッジの境界が失われる可能性がある。

幾つかの実施形態は、コンスタレーション内の像を混合して、境界の少なくとも一部に沿って鮮明なエッジを有する対象照明パターンを形成するように、光源の像の相互配置を制御して、それらの像のコンスタレーションを形成すること（１１０）ができるという理解に基づく。例えば、一実施形態は、光源の像、例えば、像１２０及び１３０、並びに像１６及び１７を対象像の境界の周りにタイリングすることによって、空間的に広がった光源１０から鮮明なエッジの照明パターン１５０を生成する。

それに加えて、又はその代わりに、一実施形態は、或る方向において合焦し、別の方向においてぼやけるか、又は不鮮明される光源の像を生成し、照明パターンにおいて長い鮮明なエッジの輪郭を取得する。任意選択で、像は照明パターンの内部を形成する合焦していない像を含むことができる。幾つかの実施形態において、コンスタレーションの形成は、以下に説明されるように、ぼやけ修正及び面推定手順によって自動的に達成される。

図２は、本発明の幾つかの実施形態によって対処される問題の図を示す。例えば、ゼロエタンデュ光源２６０の場合に、照明パターン２１０と、照明パターン２１０を形成する像のコンスタレーションを生成することができる自由形状光学面２２０とを特定することができる。例えば、そのような光学面２２０は、最適大量輸送法を用いて特定することができる。しかしながら、空間的に広がった光源の同様の特定は、計算上非現実的である。ゼロエタンデュ光源２６０の場合に特定された自由形状光学面２２０が、空間的に広がった光源２７０で照明される場合には、結果として生じる照明パターン２５０はぼやける、すなわち、鮮明なエッジの境界を有しない。

本発明の幾つかの実施形態は、ゼロエタンデュ光源２６０による光学面２２０の照明と空間的に広がった光源２７０による光学面２２０の照明との間の関係２３０を、鮮明なエッジの照明パターン２１０とそのぼやけたバージョン２５０とを関連付けるぼやけ関数２４０によって記述できるという理解に基づく。本発明の幾つかの実施形態は、空間的に広がった光源によって導入される望ましくないぼやけを有利に利用できるという別の理解に基づく。

図３は、本発明の幾つかの実施形態によるぼやけ関数の利用の図を示す。ゼロエタンデュ光源３６０による光学面３２０の照明と空間的に広がった光源３７０による光学面３２０の照明との間の関係３３０を与えるぼやけ関数３４０が既知である場合には、ぼやけ関数３４０に従って新たな照明パターン３１０がぼやけるときに、ぼやけた新たな照明パターン３５０が実際には対象照明パターンになるような、新たな照明パターン３１０を生成するゼロエタンデュ光源３６０の自由形状光学面３２０を設計することができる。この新たな照明パターン３１０は、本明細書においてぼやけ修正照明パターンと呼ばれる。

図４は、ピクセル４１０をそのぼやけたバージョン４３０に変換するぼやけ関数２４０のカーネル４２０の一例を示す。通常、ぼやけ関数内のカーネルは、対象照明パターンの異なるピクセル及び／又は自由形状光学面上の点ごとに異なる。そのために、ぼやけ関数３４０は通常、空間的に異なるぼやけ関数である。したがって、本発明の幾つかの実施形態は、ゼロエタンデュ光源によって照明されるときに、空間的に異なるぼやけ関数で対象照明パターンのぼやけを修正することによって生成されるぼやけ修正照明パターンを形成する、そのような自由形状光学面を特定した。

図５は、本発明の一実施形態による、対象照明パターンを生成するための自由形状光学面を有する光学素子を作製するための方法のブロック図を示す。その方法は、対象照明パターン５４０のぼやけを空間的に異なるぼやけ関数５５０で修正することによって、ぼやけ修正照明パターン５１５を特定する（５１０）。その方法は、ゼロエタンデュ光源５０５によって照明される自由形状光学面５２５がぼやけ修正照明パターン５１５を形成するような仕様５０５を有する、ゼロエタンデュ光源の自由形状光学面５２５を特定する（５２０）。そのようにして、空間的に異なるぼやけ関数５５０によって捕らえらえたゼロエタンデュ光源５０５との関係を有する自由形状光学面５２５が、空間的に広がった光源によって照明されるとき、空間的に広がった光源によって放射される入射光が、自由形状光学面５２５によって変換され、境界の少なくとも一部に沿って鮮明なエッジを有する対象照明パターン５４０が形成される。

次に、その方法は、自由形状光学面５２５を有する光学素子を作製する（５３０）。例えば、一実施形態は、プラスチック製光学素子の射出成形を用いて光学素子を作製する。放電加工（ＥＤＭ：electrical-discharge machining）の開発が、型の金属内に光学品質の自由形状面を作製するための手段を提供してきた。また、ＥＤＭは、製造部品である同一寸法の炭素電極として所望の自由形状面を製造するために、５軸加工及び６軸加工にも頼る。この電極を用いて、電気エネルギーによって（electrically）加熱溶融して金属の中に自らの形状に一致する凹所を設け、それにより、溶融プラスチックに所望の形状を与える型穴を設ける。射出成形の複製方法の他に、多軸加工技法を用いて、アクリル樹脂等の幾つかの光学材料の中に、自由形状面を直接作製することができる。ただしこれは、射出成形より部品単価が高く、それゆえ、通常はプロトタイプのために利用される。光学ポリマーの３Ｄ印刷及び金属製シートのロボットによる変形を含む、数多くの他の自由形状プロトタイピング技術が存在する。現時点では、全てが高額で、近似的である。

図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃは、本発明の種々の実施形態に従って特定された光学素子と、光を自由形状光学面上に放射するために照明器具内に配置される広がった光源６２０とを有する照明器具の例を示す。例えば、広がった光源６２０は、自由形状光学面から距離６４０に配置することができ、そのような距離は自由形状光学面を特定する際に考慮される。例えば、幾つかの実施形態において、自由形状光学面の形状は、広がった光源の放射エリアの形状と、自由形状光学面に対する広がった光源の配置との関数である。

異なる実施形態において、自由形状光学面は片面又は両面とすることができる。例えば、例示的な照明器具６１１において、光学素子６３１は片面の自由形状光学面を有する。光学素子６３１の自由形状光学面は、光源６２０から最も離れた面であり、最も近い面は平坦である。例示的な照明器具６１２において、光学素子６３２の自由形状光学面は両面であり、すなわち、光学素子の両側が自由形状光学面である。例示的な照明器具６１３において、光学素子６３３の光源６２０に最も近い面が自由形状を有する。

幾つかの実施形態において、照明器具は、対象照明パターンを、照明器具の外部にあるスクリーン上に投影する。そのようなスクリーンの例は、壁又は任意の他の平面を含む。代替の実施形態において、照明器具の光学素子自体が、スクリーンとしての役割を果たすことができる。例えば、一実施形態において、自由形状光学面の反対側にある光学素子６３３の面６５０がつや消しにされ、照明パターンがつや消しされた面上に形成されるようにする。それに加えて、又はその代わりに、照明器具は、結像及び表示用の補助光学素子を有することができる。

図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃは、幾つかの実施形態によって作製される種々の対象照明パターンの異なる非限定的な例を示す。明確にするために、照明されたパターンは、黒い線を用いて示される。実際には、それらの例示的な像は反転している可能性がある。例えば、幾つかの実施形態において、照明パターンは、絵文字７１０又は芸術的な画像７２０を含む。例えば、照明パターンは、単語７３０を形成する文字を含むことができる。幾つかの実施形態において、照明パターンは、非対称なパターンである。照明パターンは、輝度勾配を有することもできる。

図８は、照明器具が車両８１０のヘッドライトの少なくとも一部を形成する実施形態の概略図を示す。この実施形態において、広がった光源は、ヘッドライトの光学軸に沿って光ビームを放射し、路面を照明するための非対称なロー／ハイビームパターンを含む、照明パターン８２０を生成する。ヘッドライトによって投影されるビームは、車両の右側より左側において低いので、照明パターン８２０は、非対称である。

とりわけ、それらの実施形態によって全ての照明パターンを十分に近似できるとは限らない。照明パターンは、光源の合焦した像より小さいフィーチャを照明することはできないが、より細かいフィーチャは光が存在しないことによって実現することができる。熱力学の第二法則により、幾何学的な光学素子において、一般的な像の完全なぼやけ修正は不可能である。しかしながら、それらの実施形態は、有用な種類の対象照明パターン、詳細には、図形の境界は鮮明でなければならないが、図形の内部は、それほど規制されない可能性がある看板の場合に十分に機能する。本発明の幾つかの実施形態の原理に従って設計された光学素子は、境界の少なくとも一部に沿って鮮明なエッジを有する対象照明パターンを生成することができ、合焦した像のエッジが、対象照明パターンの鮮明なエッジの境界を形成することに関与する。

本明細書において使用されるときに、鮮明なエッジの境界は、照明境界の鮮明なエッジを越える光強度の変化率が、光源の合焦した像のエッジにおける光強度の変化率に実質的に類似である、すなわち、５％未満の差であることを意味する。

図９は、本発明の幾つかの実施形態による、対象照明パターンの鮮明なエッジの境界の場合の光強度のグラフ９２０を示す。境界９１０は、照明パターンの内部から外部を分離する。グラフ上で見られるように、光強度の変化率は、ボーダー９１０からの所定の距離９３０内で、光強度を最小値から最大値まで変化させる。そのような距離９３０は、合焦した像において見られ、熱力学の第二法則によって決定される。

図１０は、本発明の幾つかの実施形態による、自由形状光学面の幾何学的形状を特定するための方法のブロック図を示す。その方法のステップは、プロセッサを用いて実行することができる。その方法は、ゼロエタンデュ光源から、例えば、デジタル画像として規定される、対象照明パターン１０１０を生成する光学面の形状１０４０を特定する（１１００）。その特定は、ゼロエタンデュ光源から自由形状光学面に向かう光路を記述する仕様１０２０を使用することができる。次に、その方法は、自由形状光学面を解析して、空間的に広がった光源１０３０が照明パターン１０１０内に誘発する空間的に異なるぼやけ関数１０５０を特定する（１２００）。このぼやけ関数は、最終的な光学素子のぼやけ関数の代用として使用される。

その方法は更に、空間的に異なるぼやけ関数１０５０を用いて対象照明パターン１０１０のぼやけ修正１３００を実行し、それにより、ゼロエタンデュ光源の場合の特定１１００を用いて、ぼやけ修正照明パターンのための新たな自由形状光学面１０４０が生成されるか、又は更新され、更新された自由形状光学面が仕様１０３０を有する広がった光源で照明されるときに、結果として生じる照明パターンが、幾何学的な光学素子を用いて物理的に可能である程度まで鮮明なエッジを有する対象照明パターン１０１０を近似的に（そして、時には完全に）再現するような、新たなぼやけ修正照明パターンを特定する。図１０の方法は、自由形状光学面１０４０を繰り返し更新することができるが、通常、所望の結果を達成するのに、その方法は一度繰り返せば十分である。

図１１は、ゼロエタンデュ光源からの入射光を対象照明パターンに変換する自由形状光学面を特定する（１１００）ために本発明の幾つかの実施形態によって使用される方法の流れ図を示す。対象照明パターン、例えば、写真は、明るいエリア及び暗いエリアの空間分布である。明るいエリアは数多くの光線を有限エリアに集中させることによって再現され、暗いエリアは、或るエリアの中に少数の光線が入るように少数の光線を発散させることによって再現される。幾何学的な光学素子において、集中及び発散は、光学面の部分を引き上げるか、又は押し下げて、山及び谷を生成することによって成し遂げることができる。集中及び発散の量は、その際、これらの表面フィーチャの曲率によって特定される。

本発明の幾つかの実施形態は、幾何学的な光学素子の法則を用いて、自由形状光学面１０４０上の場所と、対象照明パターン１０１０内の場所との間に一対一対応１１２０を確立する。光源から光学面上の点に到達する光が、対象照明パターン上の対応する点において必要とされる光と一致しない場合には、最適大量輸送原理と光学面における光伝搬の物理現象とを結び付ける数学的規則に従って、光学面が引き上げられるか、又は押し下げられる。この手順は、光学面が所望の形状において安定するまで繰り返される。

例えば、対象照明パターン１０１０と、光学面の幾何学的形状についての初期推測１０３０とから開始するとき、光路仕様に反射又は屈折の物理法則を適用して、空間的に広がった光源１０に位置するゼロエタンデュ光源から光学面１２への、そして、そこから投影面１５への光線１１の経路を特定し（１１１０）、それにより、光学面上の点と投影面上の点との間に対応１１２０を確立する。これらの光線及び対応を用いて、両方の光強度が光学面に達するまで、与えられた光強度値が光源から前方に伝搬し（１１３５）、所望の光強度が対象照明パターンから後方に伝搬する（１１３０）。

伝搬は物理法則に従い、具体的には、光線が集中する場合に強度の値が増加し、光線が発散する場合に値が減少する。この結果として、強度値の２つのフィールドが生成され、それらのフィールドは一方のフィールドから他方のフィールドを減算することによって比較され（１１５０）、不一致値１１６０のフィールドがもたらされる。光学面上の各点Ｐにおいて、Ｐにおける不一致値×導関数ｄＴ／ｄｓに比例する値だけ面高が調整され（１１７０）、その導関数は、Ｐにおける光学面の傾きが或る無限小値ｄｓだけ増加するときに、投影面上の対応する点Ｑが動く割合である。この導関数は、光路１０２０の幾何学的形状に対して反射又は屈折の法則を単純に適用することから求められる。この手順は、不一致値が０に至るか、又は設計者が要求する程度に０に近くなるまで繰り返される。

代替の実施形態は、自由形状光学面の幾何学的形状を推定する、異なる、より近似的な方法を使用する。例えば、一実施形態は、最適大量輸送の数学的方法を直接使用して、光源の放射輝度パターンの像と、対象照明パターンの所望の放射照度パターンの像との間のエネルギー保存の対応を直接計算する。この対応は、光学面上の点と投影面上の点との間の対応１１２０の代用として使用される。屈折又は反射の物理法則を用いて、これらの対応を満たす垂線としても知られている、面法線のフィールドを計算することができる。その後、数理物理学からの標準的な積分法を用いて、これらの面法線を近似的に示す面の幾何学的形状を推定することができる。この手順は単純であるが、必ずしも最適であるとは限らない。

更に別の実施形態は、対象照明パターンを無数の小さなパッチに分割し、パッチごとに、光源からの光をそのパッチ上に合焦させるデカルト光学素子を計算する。その後、デカルト光学素子が全て重ね合わせられ、各デカルト光学素子によって収集された光の量がその対象パッチ内で望まれる全放射照度エネルギーに近似的に等しくなるまで、デカルト光学素子の厚さが調整される。

図１２は、本発明の一実施形態による、空間的に異なるぼやけ関数を特定するための方法１２００のブロック図を示す。空間的に異なるぼやけ関数は、図１１の方法１１００によって生成された対象照明パターンが、空間的に広がった光源１０３０の導入によっていかに劣化するかを与える。例えば、その方法は、自由形状光学面上の何らかの点の上方にピンホールを配置すること（１２１０）と、その面の残りの部分を遮断することと、遮断された自由形状光学面を空間的に広がった光源１０３０で照明すること（１２２０）とをシミュレートする。結果として生じる照明パターンは、ピンホールによって露出した光学面によって変位し、場合によっては歪められた、広がった光源の像１２３０である。

このシミュレーションは自由形状光学面上の点ごとに繰り返され（１２４０）、「カーネル」と称される、結果として生じる像１２３０の組が、自由形状光学面の最終バージョンが相殺することになる空間的に異なるぼやけ関数の代用として使用される。これらの像は、複雑な３Ｄシーン内の光伝搬をシミュレートする１つのソフトウェアである、市販のレイトレーサーにおいて、ピンホールを用いて光路１０２０をシミュレートすることによって取得することができる。また、光源の境界からピンホールの境界を通して光線を伝搬させることによって、カーネル像を近似することもでき、それにより、像を取得するために光源からの残りの光で均一に満たされる投影面上の閉曲線がもたらされる。

図１３は、本発明の幾つかの実施形態による、空間的に異なるぼやけ修正１３００のための方法の流れ図を示す。この方法は、空間的に異なるぼやけ関数１０５０及び空間的に異なる対象に対して対象照明パターンのぼやけを修正する。その方法は、ぼやけ修正照明パターンの初期推定値１３１０から開始して、終了条件が満たされるまで繰り返す補正ループを用いて繰り返し実行することができる。

例えば、一実施形態は、カーネルの非負結合の空間的に異なる畳み込みを求めること（１３２０）によって、空間的に異なるぼやけ修正を実行する。この結合は、対象照明パターン１１０を近似するぼやけ修正照明パターン１３３０を形成する。近似の良否は、対象照明パターンを、ぼやけ修正照明パターン１３３０のぼやけたバージョンと比較すること（１３４０）によって判断することができる。例えば、最も美的に好ましい解決策は、光源の像をタイリングし、不鮮明にすることを伴うので、幾つかの実施形態は、誤差関数１３５０を用いて近似の良否を測定し、その誤差関数は、滑らかな解を好むが、「タイル」が共に図形内に概ね収まることができるように、対象図形の境界をわずかにシフトできるようにする。

ぼやけ修正は、ｄ≧０であるという制約を前提として、誤差関数１３５０、例えば、ｆ（ｄ）＝（｜｜Ｂｄ−ｔ｜｜_２）^２＋λ（｜｜∇（Ｂｄ）｜｜_Ｗ）^２を最小化することによって成し遂げることができる。ただし、ｄは、ぼやけ修正対象照明パターン１３１０及び１０６０の推定値内の全ての値を含む解ベクトルであり、ｔは、対象照明像１０１０内の全ての値を同じ順序において含むベクトルであり、Ｂは、空間的に異なるぼやけ関数１０５０、例えば、その第ｉの列が、光学面上の第ｉの場所又はピクセルに関連付けられるぼやけカーネルの全ての値を含む行列であり、Ｂｄは、ぼやけ修正像のぼやけたバージョン１３３０を空間的に異なる畳み込み１３２０として与える行列−ベクトル積であり、Ｂｄ−ｔは、対象照明像との比較１３４０において求められた不一致値のベクトルであり、（｜｜Ｂｄ−ｔ｜｜_２）^２は、対象照明パターンとシミュレートされた照明パターンとの間の差分二乗和（sum-squared difference）であり、∇(Ｂｄ)は、シミュレートされた照明パターンのラプラシアン、基本的には、その輝度変動を正確に表す像であり、(｜｜∇（Ｂｄ）｜｜_Ｗ）^２は、対象照明パターン内で鮮明なエッジが望まれる場所付近にそれらが位置するときを除く、これらの変動の二乗和である。これは、最終照明パターン内部の輝度の望ましくない変化にペナルティを科すが、元の対象照明パターン内の図形境界から短い距離だけ変位する鮮明な照明変化、例えば、エッジにペナルティを科さない。誤差１３５０から、幾つかの実施形態は、勾配降下又は修正リチャードソン−ルーシー（Richardson-Lucy）演算子によって補正値１３６０を求め、この補正値をぼやけ修正照明パターン１０６０の推定値に適用する。このプロセスは、その推定値が、誤差を最小化する、ぼやけカーネル結合重み１０６０の一定の非負ベクトルに収束するまで繰り返される。

解１０６０はぼやけ修正照明パターンになり、方法１１００がぼやけ修正照明パターン１０６０から自由形状光学面を設計するために適用されるとき、その結果は、空間的に広がった光源の像を合成して元の対象照明パターンを生成するレンズ又はミラーである。

通常、最終的な光学面は、光源の像をタイリングすることと、不鮮明にすることと、混合することとの組み合わせを含む照明パターンを生成する。例えば、一実施形態において、像のコンスタレーション内の少なくとも２つの像が、第１の強度を有する第１の滑らかな結合像を形成するように互いに隣接し、像のコンスタレーション内の少なくとも２つの像が、第２の強度を有する第２の滑らかな結合像を形成するように互いに少なくとも部分的に重ね合わせられる。この実施形態において、第２の滑らかな結合像を形成する像は、第１の強度と第２の強度との差がしきい値未満であるように不鮮明にされる。しきい値の値は、照明パターンの滑らかさに関する要件によって決定される。

本発明の上記で説明した実施形態は、多数の方法のうちの任意のもので実施することができる。例えば、実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの組み合わせを用いて実施することができる。ソフトウェアで実施される場合、ソフトウェアコードは、単一のコンピューターに設けられるのか又は複数のコンピューター間に分散されるのかにかかわらず、任意の適したプロセッサ又はプロセッサの集合体において実行することができる。そのようなプロセッサは、１つ以上のプロセッサを集積回路部品に有する集積回路として実装することができる。ただし、プロセッサは、任意の適したフォーマットの回路類を用いて実装することができる。

また、本発明の実施形態は、例が提供された方法として実施することができる。この方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法で順序付けすることができる。したがって、動作が示したものと異なる順序で実行される実施形態を構築することができ、これには、例示の実施形態では一連の動作として示されたにもかかわらず、幾つかの動作を同時に実行することを含めることもできる。

請求項の要素を修飾する、特許請求の範囲における「第１」、「第２」等の序数の使用は、それ自体で、１つの請求項の要素の別の請求項の要素に対する優先順位も、優位性も、順序も暗示するものでもなければ、方法の動作が実行される時間的な順序も暗示するものでもなく、請求項の要素を区別するために、単に、或る特定の名称を有する１つの請求項の要素を、同じ（序数の用語の使用を除く）名称を有する別の要素と区別するラベルとして用いられているにすぎない。

図１４は、本発明の種々の実施形態による方法を実行するためにプロセッサによって実行可能なプログラムがその上に具現された非一時的コンピューター可読媒体１４００の例示的な概略図を示す。この例において、プログラムは、幾つかのソフトウェアモジュールに編成される。

例えば、シミュレーションソフトウェア１４１０は、光の伝搬をシミュレートする責任を担う。構成ソフトウェア１４２０は、対象照明パターン、空間的に広がった光源の形状、及び／又は自由形状光学面に対する空間的に広がった光源の配置等の、それらの方法の異なるパラメーターを選択する責任を担う。幾つかの実施態様において、構成ソフトウェアは、直接、又は可視化ソフトウェア１４４０の助けを借りて、その方法のユーザーから構成パラメーターを受信する。最適大量輸送ソフトウェア１４３０は、ゼロエタンデュ光源の場合の自由形状最適面を特定し、ぼやけ修正ソフトウェア１４５０は、ぼやけ関数及びぼやけ修正照明パターンを特定する。可視化ソフトウェア１４４０は、光学素子の構造及び／又は結果として生じる照明パターンを可視化するために、ディスプレイデバイス上に自由形状光学面の最終バージョンを描画することもできる。

Claims (18)

1. 空間的に広がった光源によって放射される入射光を前記空間的に広がった光源の像のコンスタレーションに変換する自由形状光学面を有する光学素子であって、
   前記コンスタレーション内の前記像を混合して、境界の少なくとも一部に沿って鮮明なエッジを有する対象照明パターンを形成し、
   前記像は合焦した像を含み、
   前記合焦した像のエッジが、前記対象照明パターンの鮮明なエッジの境界を形成することに関与し、
   ゼロエタンデュ光源によって照明される前記自由形状光学面は、空間的に異なるぼやけ関数で前記対象照明パターンのぼやけを修正することによって生成されるぼやけ修正照明パターンを形成し、
   前記空間的に異なるぼやけ関数は、前記空間的に広がった光源で初期自由形状光学面を照明することから生じる前記対象照明パターンのぼやけを規定し、
   前記初期自由形状光学面は、前記ゼロエタンデュ光源によって放射される入射光を前記対象照明パターンに変換するために特定される、
   光学素子。
2. 前記像は、前記対象照明パターンの内部を形成する、合焦していない像を含む、
   請求項１に記載の光学素子。
3. 前記像の前記コンスタレーション内の少なくとも２つの像が、第１の強度を有する第１の滑らかな結合像を形成するように互いに隣接し、
   前記像の前記コンスタレーション内の少なくとも２つの像が、第２の強度を有する第２の滑らかな結合像を形成するように互いに少なくとも部分的に重ね合わせられ、
   前記第２の滑らかな結合像を形成する前記像は、前記第１の強度と前記第２の強度との差がしきい値未満になるように、不鮮明にされ、重ね合わせられる、
   請求項１に記載の光学素子。
4. 前記対象照明パターンの前記鮮明なエッジの境界を越える光強度の変化率は、前記合焦した像のエッジにおける前記光強度の前記変化率と実質的に同程度である、
   請求項１に記載の光学素子。
5. 前記対象照明パターンは絵文字を含む、
   請求項１に記載の光学素子。
6. 前記対象照明パターンは、単語を形成する文字を含む、
   請求項１に記載の光学素子。
7. 前記対象照明パターンは、路面を照明するための非対称なロー／ハイビームパターンである、
   請求項１に記載の光学素子。
8. 前記自由形状光学面の反対側にある前記光学素子の面はつや消しされ、前記対象照明パターンが前記つや消しされた面上に形成されるようにする、
   請求項１に記載の光学素子。
9. 照明器具であって、
   請求項１の光学素子と、
   前記照明器具内に配置されて、前記入射光を前記自由形状光学面上に放射し、前記対象照明パターンを生成する、前記空間的に広がった光源と、
   を備える、照明器具。
10. 前記空間的に広がった光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む、
    請求項９に記載の照明器具。
11. 前記自由形状光学面の形状は、前記空間的に広がった光源の放射エリアの形状と、前記自由形状光学面に対する前記空間的に広がった光源の配置との関数である、
    請求項９に記載の照明器具。
12. 前記照明器具は、車両のヘッドライトの少なくとも一部を形成し、
    前記空間的に広がった光源は、前記ヘッドライトの光軸に沿って光ビームを放射し、路面を照明するための非対称なロー／ハイビームパターンを含む前記対象照明パターンを生成する、
    請求項９に記載の照明器具。
13. 光学素子を作製する方法であって、
    空間的に異なるぼやけ関数で対象照明パターンのぼやけを修正することによって、ぼやけ修正照明パターンを特定することと、
    空間的に広がった光源によって放射される入射光を前記空間的に広がった光源の像のコンスタレーションに変換する自由形状光学面を特定することであって、ゼロエタンデュ光源の前記自由形状光学面は、前記ゼロエタンデュ光源によって照明される前記自由形状光学面が前記ぼやけ修正照明パターンを形成するように、特定され、前記像を混合して、境界の少なくとも一部に沿って鮮明なエッジを有する対象照明パターンを形成し、前記像は合焦した像を含み、前記合焦した像のエッジが、前記対象照明パターンの鮮明なエッジの境界を形成することに関与することと、
    前記自由形状光学面を有する前記光学素子を作製することと、
    を含む、方法。
14. 前記自由形状光学面は、前記光学素子の片側又は両側に作製される、
    請求項１３に記載の方法。
15. ゼロエタンデュ光源によって放射される入射光を前記対象照明パターンに変換する初期自由形状光学面を特定することと、
    空間的に広がった光源によって照明された前記対象照明パターンのぼやけを捕らえる空間的に異なるぼやけ関数を特定することと、
    前記空間的に異なるぼやけ関数で前記対象照明パターンのぼやけを修正し、前記ぼやけ修正照明パターンを特定することと、
    を更に含む、請求項１３に記載の方法。
16. 前記対象照明パターンは、路面を照明するための非対称なロー／ハイビームパターンである、
    請求項１３に記載の方法。
17. 方法を実行するためにプロセッサによって実行可能なプログラムが具現される非一時的コンピューター可読記憶媒体であって、
    前記方法は、
    ゼロエタンデュ光源によって放射される入射光を対象照明パターンに変換する初期自由形状光学面を特定することと、
    空間的に広がった光源によって照明された前記対象照明パターンのぼやけを捕らえる空間的に異なるぼやけ関数を特定することと、
    前記空間的に異なるぼやけ関数で前記対象照明パターンのぼやけを修正し、ぼやけ修正照明パターンを特定することと、
    ゼロエタンデュ光源によって放射される入射光を前記対象照明パターンに変換する自由形状光学面を特定することであって、前記自由形状光学面が前記空間的に広がった光源によって放射される入射光を前記広がった光源の像のコンスタレーションに変換するようにし、前記像を混合して、境界の少なくとも一部に沿って鮮明なエッジを有する対象照明パターンを形成し、前記像は合焦した像を含み、前記合焦した像のエッジが、前記対象照明パターンの鮮明なエッジの境界を形成することに関与することと、
    を含む、非一時的コンピューター可読記憶媒体。
18. 空間的に広がった光源によって放射される入射光を前記空間的に広がった光源の像のコンスタレーションに変換する自由形状光学面を有する光学素子であって、
    前記コンスタレーション内の前記像を混合して、境界の少なくとも一部に沿って鮮明なエッジを有する対象照明パターンを形成し、
    前記像は合焦した像を含み、
    前記合焦した像のエッジが、前記対象照明パターンの鮮明なエッジの境界を形成することに関与し、
    前記像の前記コンスタレーション内の少なくとも２つの像が、第１の強度を有する第１の滑らかな結合像を形成するように互いに隣接し、
    前記像の前記コンスタレーション内の少なくとも２つの像が、第２の強度を有する第２の滑らかな結合像を形成するように互いに少なくとも部分的に重ね合わせられ、
    前記第２の滑らかな結合像を形成する前記像は、前記第１の強度と前記第２の強度との差がしきい値未満になるように、不鮮明にされ、重ね合わせられる、
    光学素子。

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