技術解説：2ステージ光学系による車両用ヘッドランプの設計 — リフレクターとシリンドリカルレンズアレイ（CLA）の統合による法規準拠と製造ロバスト性の両立

導入(Abstract)
車両用ヘッドランプ設計における規制と技術的背景
革新的2ステージ光学設計の構造解析
定量的検証と性能分析
1. シミュレーションと実験のパラメータ
2. シミュレーションと実験性能の分析
比較分析と産業界への影響
1. 決定的な利点：設計と製造におけるロバスト性
2. 性能のトレードオフとシステムレベルでの考察
結論と将来展望
1. 分析結果の総括
2. 将来の研究と実用化への道筋
参考記事

導入(Abstract)

車両用ロービームヘッドランプの光学設計は、対向車ドライバーへのグレアを最小限に抑えつつ、路面を十分に照らすという本質的な二律背反の課題を抱えている。特に、明暗の境界を明確に定義する高コントラストなカットオフラインの形成と、その境界近傍に輝度ピーク（輝点）を配置することは、極めて高度な技術を要求される。この課題は、光学系の小型化が進むにつれてさらに深刻化する 1。

本稿では、この課題に対する革新的な解決策として提示された、2ステージ光学システムを詳細に分析する。このシステムは、多分割リフレクターとシリンドリカルレンズアレイ（CLA）という2つの主要な光学部品で構成される 1。本設計手法の核心は、単一の複雑な光学素子で全ての光学変換を完結させる従来のモノリシックなアプローチとは一線を画す、新しい設計思想にある。すなわち、まず第1段階としてリフレクターが意図的に非対称な「逆三角形」または「台形」の予備的な光パターンを生成する。次に第2段階として、CLAがこの予備パターンを水平方向に伸長・均一化し、最終的な法規準拠の配光パターンへと変換する。このプロセスにおいて、輝点がカットオフライン近傍へと上方にシフトするという特異な現象が引き起こされる 1。

この設計思想は、ビームの巨視的なエネルギー分布形成（リフレクター）と、微視的な均一化および水平伸長（CLA）という、本来複雑に絡み合う光学タスクを機能的に分離するものである。このタスクの分離こそが、本設計手法が主張する「ロバスト性」の根源であり、設計時間の短縮、製造公差の緩和、そしてコスト削減に繋がる可能性を秘めている。本レポートでは、この2ステージ光学系の物理的原理、シミュレーションと実験による定量的性能評価、そして従来の設計手法との比較を通じて、その技術的優位性と産業界への影響を深く掘り下げる。

車両用ヘッドランプ設計における規制と技術的背景

提案技術の革新性を理解するためには、それが解決しようとしている課題の背景、すなわち車両用ヘッドランプに課せられる厳格な規制と、従来技術が直面してきた限界を正確に把握する必要がある。

照明とグレアの根本的な二律背反

車両用ヘッドランプの設計は、常に「十分な路面視認性の確保」と「対向車への眩惑（グレア）防止」という、相反する要求の最適なバランスを見出すことを求められる 1。この二律背反を解決する鍵が「カットオフライン」である。カットオフラインは、単なる配光パターンの特徴ではなく、ロービーム光学系全体の設計を規定する、最も重要かつ交渉の余地のない制約条件と言える。そのシャープさ、直線性、そして正確な位置が、製品の合法性と安全性を直接的に決定づけるからである 1。

このカットオフラインの性能は、法規制によって定量的に定義されている。例えば、国連欧州経済委員会（UNECE）の協定規則であるECE R113では、カットオフラインのシャープさを表す「G値（Sharpness factor G）」や、その水平部分の直線性が厳格に定められている 1。これらの基準は単なる努力目標ではなく、達成できなければ市場投入が許可されない絶対的な合否基準である。したがって、あらゆるヘッドランプの技術革新は、まず第一に、これらの規制要件を安定的かつ再現性高く満たす能力によって評価されなければならない。論文がカットオフラインのコントラストと輝点シフトに重点を置いているのは、まさにこの最も達成が困難な規制要件に対する直接的な技術的応答なのである。

主要な法規制：定量的要件の比較

本研究で提案された設計は、自転車用のドイツ「K-mark」規格と、二輪車・電動自転車用の欧州「ECE R113 Class B」規格の両方を満たすことを目標としている 1。これらの規制は、カットオフラインの角度や特定の測定点における照度・光度の閾値など、それぞれ固有の要件を定めている。主要な要件を以下の表1にまとめる。

表1: 主要な法規制要件の比較（K-mark vs. ECE R113 Class B）

特徴	K-mark 要件	ECE R113 Class B 要件	典拠
対象車両	自転車	オートバイ、電動自転車	1
カットオフライン角度	3.4∘ の傾斜	0.57∘ の傾斜	1
直線性	規定は特に言及なし	V-V線から左右$3^{\circ}$の範囲で水平、角度偏差 ≤±0.2∘	1
シャープネス（G値）	規定は特に言及なし	G=(logEV−logEV+0.1∘)≥0.13	1
主要測定点（例）	HV平面上の最大照度(Emax)が20 lux以上	75R点（右側）で2200 cd以上、50V点（上方）で1100 cd以上	1

この表は、設計者が達成すべき具体的な数値目標を明確に示している。特にECE R113 Class Bが要求する高い直線性（±0.2∘）とシャープネス（G≥0.13）は、光学設計における極めて高い精度を要求する。

従来の光学アーキテクチャとその限界

従来、これらの厳しい要求を満たすために、主にフリーフォームリフレクターやプロジェクターレンズといった光学アーキテクチャが採用されてきた 1。フリーフォームリフレクターは、単一の非球面・非軸対称な反射面を用いてLEDからの光を直接的に所望の配光パターンに成形する技術である。しかし、このアプローチには重大な課題が内在する。

最大の課題は、製造公差に対する極端な感度である 4。フリーフォーム曲面は複雑な数式で定義され、その面上のあらゆる点が最終的な配光パターンに寄与する 4。そのため、製造工程で生じるマイクロメートル単位の微小な形状誤差が、配光パターン全体に予測不能な影響を及ぼす。この誤差は、カットオフラインの鈍化、意図しないグレアの発生、ホットスポット（輝度ムラ）の形成、そしてシステム全体の光学効率の低下といった複数の問題を同時に引き起こす可能性がある。これは「公差の連鎖的影響」とも呼ぶべき現象であり、従来のモノリシックな設計がいかに脆弱であるかを示している。

この脆弱性ゆえに、フリーフォーム光学系の開発では、初期設計よりも公差解析に膨大な時間とコストが費やされることも少なくない 6。また、製造誤差は迷光（Stray Light）を増加させ、本来暗くあるべきグレアゾーンの照度を上昇させる原因ともなる 1。提案されている「ロバストな」設計は、まさにこの従来システムの脆弱性、すなわち製造ばらつきに対する不安定さを根本から解決することを目指したものである。

革新的2ステージ光学設計の構造解析

提案された光学システムは、その構造と動作原理において従来技術と明確な一線を画す。ここでは、その構成要素と物理的原理を段階的に分解し、その機能性を詳細に解説する。

システムアーキテクチャ：リフレクターとCLAの組み合わせ

このヘッドランプの概念は、リフレクターとCLAプレートという、わずか2つの光学部品で構成される、シンプルかつ堅牢なアーキテクチャに基づいている 1。設計プロセスは2つのステージに明確に分離されている。

ステージ1： リフレクターがLED光源からの光を集光し、予備的なビームに成形する。
ステージ2： CLAがその予備ビームを通過させ、最終的な配光パターンを完成させる。

この2段階のアプローチが、システム全体のロバスト性と高性能を支える基盤となっている。

ステージ1：リフレクターによる非対称ビームの生成

第1段階におけるリフレクターの役割は、最終的な配光パターンを直接作り出すことではない。その主たる目的は、後段のCLAが効果的に機能するための「下準備」として、意図的に非対称な「逆三角形」または「台形」の光エネルギー分布を生成することである 1。

この逆三角形パターンの生成は、システム全体の機能にとって不可欠な前提条件である。なぜなら、この初期パターンが持つ垂直方向の非対称性こそが、CLAを通過した際に輝点を上方にシフトさせるための「ポテンシャルエネルギー」として機能するからだ。論文では、円形のような対称な入力ビームをCLAに通しても、輝点シフトは起こらないことが明確に示されている 1。物理的には、CLAは光を水平方向にのみ再配分するため、入力ビームの垂直方向のエネルギー分布が対称であれば、再配分後のエネルギー分布もまた垂直方向に対称となり、エネルギーの中心（輝点）は移動しない。逆三角形パターンは、意図的にビームの下部（将来のカットオフラインより下の領域）により多くの光束を集中させることで、この非対称性を創出する。

この予備パターンの形成には、各セグメントからの出射光パターンを個別に制御できる光学設計ソフトウェア（例：RefCad）が利用される 1。重要なのは、この段階のリフレクターには、従来のような完璧な精度が要求されない点である。最終的な仕上げはCLAが担うため、リフレクターは「十分に良い」非対称パターンを生成できれば、その役割を果たしたことになる。

ステージ2：CLAによるビーム変換

第2段階では、リフレクターによって成形された逆三角形のビームがCLAを通過する。CLAは、単なる拡散板とは全く異なる、高度に制御された1次元の光学素子である 8。その機能は多岐にわたり、まさに光学的な「仕上げ」ツールとして働く。

CLAは、入射ビームを水平方向にのみ、多数のわずかにずれた部分ビームに分割し、重ね合わせることで、以下の3つの重要な変換を同時に実行する 1。

水平方向の伸長： ビームを水平に広げ、法規制で要求される広い照射幅を確保する。
均一化（ホモジナイゼーション）： 多分割リフレクターの各セグメントの境界などで生じがちな輝度ムラやアーティファクトを、多数の部分ビームの重ね合わせによって平滑化し、均一な照明を実現する。
輝点シフトの実現： 前段で作り込まれた非対称なエネルギー分布と相互作用し、後述する輝点の上方シフトを引き起こす。

特に注目すべきは、CLAがシリンドリカル（円筒）レンズのアレイであるため、その光学パワーが水平方向にしか作用せず、垂直方向の光線角度には影響を与えない点である。この特性は、カットオフラインの品質向上に極めて有利に働く。なぜなら、リフレクターが生成した予備ビームのカットオフラインに多少の垂直方向の乱れがあったとしても、CLAはそれを増幅することがないため、結果として極めて直線性の高い最終的なカットオフラインが得られるからである 1。このように、CLAは単一のシンプルな部品でありながら、複数の課題を同時に解決する、非常に効率的でエレガントなエンジニアリングソリューションとなっている。

中核原理：輝点の上方シフト

本設計手法の最も独創的かつ重要な物理現象が、CLA通過による「輝点の上方シフト」である。非対称な逆三角形ビームがCLAを通過すると、ビームの中で最も明るい点（輝点）が、元の位置から上方のカットオフライン近傍へと移動する 1。

この現象は、CLAによる光の再配分プロセスによって説明できる。逆三角形ビームは、その下部にエネルギーが集中している。CLAがこのビームを水平方向に多数のコピー（部分ビーム）に分割して重ね合わせると、元々エネルギー密度が高かった下部領域に対応する照射面上の領域で、より多くの部分ビームが重なり合うことになる。この「重なり合いの密度」が最も高くなる場所が、新たな輝点となる。非対称な入力分布のため、この最大重複点は元の中心よりも上方に形成されるのである 1。

この輝点シフトは、単なる興味深い物理現象ではない。これは、ECE R113のシャープネス係数Gを最大化するために意図的に設計された、極めて巧妙なメカニズムである。G値は、カットオフライン直下（明るい領域）の照度EVと、直上（暗い領域）の照度$E_{V+0.1^{\circ}}$の対数差、すなわち光の減衰勾配で定義される（G=(logEV−logEV+0.1∘)） 1。

G値を最大化するには、EVを最大化し、$E_{V+0.1^{\circ}}$を最小化する必要がある。

輝点の上方シフトは、配光パターン全体の輝度ピークをEVの測定点であるカットオフライン直下に正確に配置することで、EVの値を最大化する。同時に、光エネルギーが上方に集中するため、暗い領域への迷光が減少し、$E_{V+0.1^{\circ}}$の値が抑制される。結果として、システムはG ≥ 0.13という厳しい規制値をクリアしやすい特性を本質的に備えることになる。これは、法規制の数学的定義を物理現象に翻訳し、製品が試験に合格するように「仕組んだ」、高度なエンジニアリングの成果と言える。

定量的検証と性能分析

提案された設計の有効性は、厳密な光学シミュレーションと実機プロトタイプによる実験によって検証されている。ここでは、その定量的データを詳細に分析し、性能を評価する。

シミュレーションと実験のパラメータ

検証の信頼性を担保するため、シミュレーションと実験では具体的なパラメータが設定されている。

シミュレーション： 光学解析ソフトウェア「ASAP」を使用し、1億本から3億本の光線追跡を実施 1。
光源： Osram製 KW H3L531 LEDを使用。発光面積は1×3 mm2、光束は1044 lmに設定 1。
CLA： 最適化されたパラメータとして、厚さ2 mm、ピッチ2 mm、曲率半径7.3 mm、円錐定数-2が用いられた 1。
実験： シミュレーションと同一仕様のコンポーネントでプロトタイプを製作。LEDは駆動電圧9.54 V、駆動電流1200 mAで動作させた 1。

これらの具体的な設定は、結果の再現性と妥当性を保証する上で重要である。

シミュレーションと実験性能の分析

シミュレーションと実験の結果は、提案手法の有効性を強力に裏付けている。まず、リフレクター単体では台形の不均一な配光であったものが（図7b）、CLAを付加することで、K-markとECE R113の両規制を完全に満たす均一な配光パターンへと変換されることが示された（図7c, 7d） 1。

特筆すべきは輝点シフトの効果である。シミュレーションでは、輝点の垂直位置が-347.8 mmから+278.3 mmへと、実に626.1 mmも上方にシフトすることが確認された（図8） 1。

実験結果もシミュレーションと極めて良好な一致を示している。製作されたプロトタイプは、クリーンなカットオフラインを形成し、K-markとECE R113の全ての測定点における要求値をクリアした（図10） 1。以下の表2に、主要な性能指標に関する規制要件、シミュレーション値、実験値をまとめる。

表2: シミュレーション・実験結果と法規制要件の定量的比較

性能指標	ECE R113 Class B 要件	シミュレーション値	実験値	適合性
直線性	≤±0.2∘	±0.1∘	±0.1∘	適合
シャープネス（G値）	≥0.13	(データなし)	最小値 0.16	適合
最大照度 (Emax)	(K-mark: ≥20 lx)	253 lx	223.4 lx	適合
ECE 75R点光度	≥2200 cd	2220 cd	(図10c参照)	適合
ECE 50V点光度	≥1100 cd	1100 cd	(図10c参照)	適合
全光学利用効率 (OUF)	(規定なし)	70%	(データなし)	–

この表から、提案設計が単に理論上有効であるだけでなく、実際の製品としても規制基準を十分に満たす性能を発揮することが定量的に証明されている。特に、直線性は要求値の半分である$\pm0.1^{\circ}$を達成し、G値も最低基準の0.13を上回る0.16を記録しており、マージンを持った設計であることがわかる 1。全体の光学利用効率（OUF）70%という値も、実用的なレベルにあることを示唆している 1。

比較分析と産業界への影響

本技術の真価を問うには、その性能だけでなく、製造性やコストといった産業的な側面から、従来技術との比較を行う必要がある。

決定的な利点：設計と製造におけるロバスト性

本論文が一貫して主張する最大の利点は「ロバスト性」、すなわち製造公差に対する耐性の高さである 1。このロバスト性の本質は、「高精度要求の対象をシフトさせる」という点にある。

従来のフリーフォームリフレクター設計では、複雑な3次元曲面を持つカスタム部品であるリフレクターそのものに、サブミクロンオーダーの極めて高い形状精度が要求された。これは製造コストを押し上げ、歩留まりを低下させる主要因であった 4。

対照的に、本設計ではリフレクターに対する精度要求が緩和される。なぜなら、後段のCLAが持つ均一化効果によって、リフレクターの微小な形状誤差が平滑化され、最終的な配光パターンへの影響が大幅に低減されるからである。代わりに高精度の要求はCLAに移るが、CLAは1次元の押し出し形状を持つ。成形、インプリント、あるいは1次元プロファイルのダイヤモンドターニングといった技術は、複雑な3次元曲面加工に比べて格段に成熟しており、高速かつ低コストでの量産が可能である 10。論文中でも、CLA自体の半径やピッチに0.1 mmの誤差があっても、配光パターンの角度変動は$0.1^{\circ}$未満であり、無視できると述べられている 1。

これは経済的・戦略的に大きな意味を持つ。この設計思想は、最高レベルの高度な製造設備を持たないメーカーでも、法規に準拠した高性能なヘッドランプを製造することを可能にするかもしれない。これは、複雑なフリーフォーム製造技術を習得した企業が持つ市場での優位性を揺るがし、高性能ヘッドランプ市場の「民主化」を促進する可能性を秘めている。

性能のトレードオフとシステムレベルでの考察

一方で、この設計は万能ではない。最も明白なトレードオフは、システム全体の部品点数の増加である。リフレクターに加えてCLAという光学部品が追加されるため、システムはより複雑になる。これは、いくつかの潜在的なデメリットを内包する。

まず、光学効率の低下である。あらゆる光学面は、フレネル反射による損失と材料吸収による損失を伴う。CLAを追加することは、光学経路に2つの界面を追加することを意味し、理論的には光学スループットを低下させる可能性がある。報告されているOUF 70%は良好な値であるが、高度に最適化されたモノリシックなリフレクターは、部品点数が少ない分、より高い効率を達成できる可能性がある。

次に、組み立ての複雑化である。LEDに対してリフレクターとCLAという2つの部品を位置決めする必要があり、組み立て工程が増加し、新たな公差管理の対象が生まれる。

この「製造ロバスト性の向上」と「システム複雑化・潜在的な効率低下」とのトレードオフは、どの設計アプローチを選択するかの重要な判断基準となる。以下の表3に、主要な設計思想の戦略的比較を示す。

表3: ヘッドランプ設計思想の比較分析

設計思想	主要な特徴	利点	課題・デメリット
モノリシック・フリーフォームリフレクター	単一の複雑な反射面で配光を完結	部品点数が少なく、潜在的な光学効率が高い。小型化に有利。	製造公差に極めて敏感。高い製造技術とコストが必要。設計・公差解析が複雑 4。
プロジェクターレンズシステム	集光レンズと遮光板（シェード）でカットオフラインを形成	極めてシャープで明確なカットオフライン。ADB（アダプティブ・ドライビング・ビーム）への展開が容易。	部品点数が多く、大型化しやすい。光学効率が比較的低い。熱管理が重要。
2ステージリフレクター+CLAシステム	リフレクターで予備成形し、CLAで仕上げる	リフレクターの製造公差が緩和され、ロバスト性が高い。設計タスクが分離され、開発が容易。	部品点数が増加。組み立て工程が複雑化。CLAによる僅かな効率低下の可能性。

この比較から、最適な設計アプローチは、企業の製造能力、コスト目標、性能の優先順位によって異なると結論付けられる。世界クラスのフリーフォーム製造能力を持つ企業はモノリシック設計の効率性を追求するかもしれないが、コストと歩留まりを重視する企業にとっては、2ステージ設計が極めて魅力的な選択肢となるだろう。

結論と将来展望

分析結果の総括

本稿で詳細に分析した2ステージ光学システムは、車両用ヘッドランプ設計における長年の課題に対する、エレガントかつ実用的な解決策を提示している。その核心は、光学タスクを「リフレクターによる非対称な予備成形」と「CLAによる均一化と輝点シフト」という2段階に分離する設計思想にある。このアプローチにより、以下の重要な成果が達成された。

法規準拠の達成： シミュレーションと実験の両方で、ECE R113 Class BとK-markという厳しい規制基準をマージンを持ってクリアすることが実証された 1。
高コントラストなカットオフライン： 意図的な非対称ビームとCLAの相互作用によって輝点を上方にシフトさせ、カットオフラインのシャープネス（G値）を最大化する巧妙な物理メカニズムが確立された。
製造ロバスト性の向上： 高精度の要求を、製造が困難な3次元フリーフォームリフレクターから、より量産に適した1次元のCLAへとシフトさせることで、システム全体の製造公差耐性を大幅に向上させた。

これらの成果は、本設計手法が単なる学術的な興味にとどまらず、実際の製品開発において大きな価値を持つことを示している。

将来の研究と実用化への道筋

本論文は、今後の研究として効率の改善や最適化プロセスの自動化を挙げている 1。しかし、本設計思想が持つポテンシャルはそれだけにとどまらない。特に、現在急速に普及が進むアダプティブ・ドライビング・ビーム（ADB）システムとの相乗効果は注目に値する。

ADBシステムは、マトリックスLEDやマイクロLEDといった個別に制御可能な画素アレイを用いて、対向車や先行車がいる部分だけを動的に消光する「グレアフリーハイビーム」を実現する技術である。ADBの課題の一つは、個々のLEDピクセルからの光を効率的に成形し、高精細な配光パターンを作り出すことにある。

本稿で示された「主光学系（リフレクター）＋二次光学アレイ（CLA）」という設計思想は、このADBのアーキテクチャに極めて応用しやすい。例えば、主光学系がLEDアレイ全体からの光で大まかなハイビーム配光を形成し、二次光学系として液晶空間光変調器（LCSLM）やMEMSデバイスのような動的で制御可能な光学アレイを用いることで、グレアフリーを実現するための精密な影を生成する、といった構成が考えられる。

このように、本研究で静的なCLAを用いてロービームで実証された設計哲学は、次世代の完全動的な高解像度ヘッドランプを実現するための、強力でスケーラブルなアーキテクチャへの重要な布石となる可能性がある。そのシンプルさとロバスト性は、未来の自動車照明技術の基盤を形成する上で、重要な役割を果たすことになるだろう。