KR102774204B1 - 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광원으로 면광원인 Micro-LED를 사용하되 광원의 배광 분포를 조정하여 차량의 하이 빔이나 로우 빔 전사를 위한 빔 패턴을 제어하는 차량 헤드램프용 광학회절소자(DOE) 표면을 갖는 고 개구율 광학계에 관한 것으로서, 상기 광원의 앞쪽에 배치되는 렌즈구조체로서, 광원 측 발산광이 입사되고, 입사광에 대해 투과기능과 함께 1차적으로 굴절 처리하는 입사렌즈; 상기 입사렌즈의 앞쪽에 밀착 배치되는 렌즈구조체로서, 입사렌즈에 의해 1차 굴절 및 투과된 광에 대해 2차 굴절 및 투과작용을 통해 평행광 처리 또는 프로젝션 처리하되, 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 구조를 표면에 구비함으로써 색 번짐 방지기능을 동시에 수행하는 색번짐방지렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 차량 헤드램프용 광학계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프를 위한 광학회절소자(DOE; Diffractive Optical Element) 표면을 접목한 고 개구율(NA; Numerical Aperture) 광학 솔루션을 제안함으로써 색 번짐을 개선할 수 있도록 하고 빔 패턴의 용이한 구현 등 광학효율을 향상시킬 수 있도록 하며, 이를 통해 차량의 하이 빔(high beam)과 로우 빔(low beam)의 풀 빔(full beam)을 구현하는 용도로 유용하게 활용할 수 있도록 한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계에 관한 것이다.
최근 차량용 헤드램프의 광원으로 LD(Laser Diode)나 LED(Light Emitting Diode) 등의 적용이 이루어지고 있으며, 이러한 LD나 LED를 차량 램프용 광원으로 적용함에 있어 보다 효과적인 사용을 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다.
이렇게 차량 램프용 광원으로 적용되고 있는 상기 LD나 LED는 고체 광원(Solid State Lighting)으로서 점광원과 면광원에 각각 해당하며, 기본 배광에 있어서는 LD가 가우시안(Gaussian) 배광형태를 가지고 LED가 램버시안(Lambertian) 배광형태를 갖는 것으로서, 이러한 광원에 대해 일정면적의 평판에 임의의 사이즈와 패턴으로 조명을 조율하도록 광학계가 사용되고 있는데, 북미 표준배광 규정(SAE Standard)이나 우리나라가 사용하고 있는 유럽 표준배광 규정(ECE Regulation)을 만족시키기 위한 노력을 경주하고 있다.
그러나, 아직까지 고체 광원(Solid State Lighting)의 장점인 소형화와 단순화된 구조로 전환하는데 어려움이 있는 한계상태에 있는 실정으로서, 차량용 헤드램프의 규격에 있어 북미 표준배광 규정(SAE Standard)이나 우리나라가 사용하고 있는 유럽 표준배광 규정(ECE Regulation)의 배광을 만족하기 위해서는 렌즈 수가 많아지는 등 오히려 더 복잡한 구성을 갖게 되고 이에 의해 양산성이 떨어지는 문제점이 도출되고 있으며, 고체 광원(Solid State Lighting)의 특징을 효과적으로 접목 및 적용하지 못하고 있다.
특히, 최근에는 디지털 라이트의 개념으로서, 광원 조사방향을 제어하여 하이 빔(상향등)과 로우 빔(하향등) 등 이중 광 경로를 형성하는 시스템을 차량용 헤드램프에 접목하고 있으며, 광학계나 광학모듈 등 광학유닛이 활용되고 있으나, 광원의 배광을 제어하는데 기술적인 한계 및 어려움에 직면하고 있고, 북미 표준배광 규정(SAE Standard)이나 유럽 표준배광 규정(ECE Regulation)을 만족하는 배광을 만들지 못하게 된다.
예를 들어, 종래 차량용 헤드램프에 있어, 광원 조사방향을 제어하여 하이 빔(상향등)과 로우 빔(하향등) 등 이중 광 경로를 형성하는 시스템으로 프리즘이나 반사경 등을 적용하고 있다.
이때, 상기 프리즘을 이용하는 경우에는 색 분산에 의한 색 번짐 현상이 커지는 문제점이 발생되고, 이를 해결하기 위해서는 다수의 많은 접합렌즈가 요구되는데, 색 번짐 개선효율이 그다지 높지 않으면서 투과율과 신뢰성이 떨어지고 생산단가가 높아지며 양산성이 떨어지는 새로운 문제점이 도출된다.
또한, 상기 반사경을 이용하는 경우에는 빛 반사를 이용하여 어느 정도의 색 번짐을 개선하여주기는 하나, 이는 가우시안(Gaussian) 배광형태를 갖는 LD와 같은 점광원 제어에 한정된다 할 수 있고, 램버시안(Lambertian) 배광형태를 갖는 LED의 면광원 제어에는 적합하지 않으며 색 번짐 개선에 상당한 어려움이 있다.
더불어, 램버시안(Lambertian) 배광형태를 갖는 LED의 면광원 제어에 있어서는 가로방향과 세로방향에 대한 패턴형 제어를 수행하여야 하므로 색 번짐을 잡기 위해 중심부에 대한 색수차 개선이 강하게 요구 및 세밀함과 정밀함이 필요하며, 특히 복잡한 구성이 아닌 간단한 구조를 통해 색 번짐을 개선하면서도 양산성까지 구현할 수 있는 프로젝션 시스템이 요구되고 있다.
나아가, 종래 차량용 헤드램프의 배광 등 광분포를 제어함에 있어, 램버시안(Lambertian) 배광형태를 갖는 LED의 면광원을 광원으로 적용시 입사광에 입사각 제약이 존재하고 광이 잘리는 현상에 의해 광손실이 발생되는 문제점이 발생되는 등 빔 패턴의 형성에 따른 광효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
한편, 자동차 헤드램프용 광학계에 관한 선행기술문헌을 살펴보았을 때, 국내등록특허공보 제10-1795253호에 있어, “광원에서 발생된 빛이 위쪽을 향하는 상방향 경로로 반사되는 하부 반사 빛과 아래쪽을 향하는 하방향 경로로 반사되는 상부 반사 빛으로 동시에 형성시켜주는 반사경; 상기 상부 반사 빛이 상기 하부 반사 빛과 합쳐지도록 상기 상부 반사 빛을 프리즘 로우 빔으로 출사하고, 상기 상부 반사 빛의 입사각 변화로 상기 프리즘 로우 빔을 프리즘 하이 빔으로 변경시켜주는 프리즘 렌즈; 상기 하부 반사 빛에 상기 프리즘 로우 빔이 더해져 로우 빔을 발생시키고, 상기 하부 반사 빛에 상기 프리즘 하이 빔이 더해져 하이 빔을 발생시키는 비구면 렌즈;가 포함되고, 상기 프리즘 렌즈의 회전은 상기 입사각 변화를 발생시키는 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계”를 개시하고 있다.
하지만, 상기 국내등록특허공보 제10-1795253호에서 개시하는 차량 헤드램프용 프로젝션 광학계는 반사경과 프리즘렌즈를 이용하는 구성 및 방식으로서, 이하에서 제안하는 본 발명과는 해결과제의 취지에서부터 차이가 발생함은 물론 광학계의 구성요소에서도 각별한 차이가 존재하고 각각의 구성요소들이 갖는 기능 및 작용효과 측면에서도 각별한 차이를 갖는 것이다.
본 발명은 상술한 종래 문제점을 해소 및 이를 감안하여 안출한 것으로서, 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프를 위한 광학회절소자(DOE; Diffractive Optical Element) 표면을 접목한 고 개구율(NA; Numerical Aperture) 광학 솔루션을 제안함으로써 차량 헤드램프 측 색 번짐을 크게 개선할 수 있도록 하며 빔 패턴의 용이한 구현 등 광학효율을 향상시킬 수 있도록 한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 입사렌즈와 색번짐방지렌즈 2매로 구성하여 아주 간단한 구조설계 및 저가형 설계를 가능하게 하면서 양산성을 만족시킬 수 있도록 하되, 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면을 접목함으로써 평행광 또는 프로젝션광 처리와 동시에 색 번짐 방지기능을 수행할 수 있도록 한 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 광학회절소자(DOE) 표면을 접목한 간단한 구조를 갖는 프로젝션 시스템으로의 구현을 통해 하이 빔과 로우 빔을 위한 빔 패턴 제어를 용이하게 수행하고, 북미 표준배광 규정(SAE Standard)이나 유럽 표준배광 규정(ECE Regulation)을 만족시키며, 색 번짐을 개선하면서도 양산성까지 만족 및 밝기를 향상시킬 수 있도록 한 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 차량 헤드램프 측 색 번짐을 개선함으로써 차량의 하이 빔(high beam)과 로우 빔(low beam)의 풀 빔(full beam)을 구현하는 용도로 유용하게 활용할 수 있도록 하며, 입사광에 입사각 제약이 존재하고 광이 잘리는 현상에 의해 광손실이 발생되는 단점으로 빔 패턴의 형성에 따른 광효율이 떨어지던 문제점을 개선할 수 있도록 한 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계는, 상기 광원의 앞쪽에 배치되는 렌즈구조체로서, 광원 측 발산광이 입사되고, 입사광에 대해 투과기능과 함께 1차적으로 굴절 처리하는 입사렌즈; 상기 입사렌즈의 앞쪽에 밀착 배치되는 렌즈구조체로서, 입사렌즈에 의해 1차 굴절 및 투과된 광에 대해 2차 굴절 및 투과작용을 통해 평행광 처리 또는 프로젝션 처리하되, 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 구조를 표면에 구비함으로써 색 번짐 방지기능을 동시에 수행하는 색번짐방지렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 입사렌즈는, 상기 광원 측 방사가 진행되는 방향에 대하여 오목형 원추면으로 구비되는 제1면(R1)과, 볼록형 곡면으로 구비되는 제2면(R2)을 포함하고; 상기 색번짐방지렌즈는, 상기 제1렌즈의 제2면(R2)에 중심부분이 밀접되는 볼록형 곡면을 갖되 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면으로 구비되는 제1면(R3)과, 볼록형 곡면을 갖되 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면으로 구비되는 제2면(R4)을 포함하는 구성일 수 있다.
여기에서, 상기 입사렌즈 측 제2면(R2), 상기 색번짐방지렌즈 측 제1면(R3)과 제2면(R4)은 각각 비구면으로 이루어지며; 상기 입사렌즈와 색번짐방지렌즈 각각은 투광성을 갖는 유리 또는 플라스틱 소재로 이루어지되, 동일 소재로 구성하거나 서로 다른 소재로 조합한 구성일 수 있다.
여기에서, 상기 입사렌즈와 색번짐방지렌즈 각각은, 1.49≤n≤1.60 범위의 굴절률(n) 조건과, 50≤v≤70 범위의 분산률(v) 조건을 만족하는 구성일 수 있다.
여기에서, 상기 광원을 수렴하는 입사렌즈와 색번짐방지렌즈는 개구율(NA; 렌즈의 해상력을 결정하는 수)을 0.95 이상으로 하여 빔을 제어하는 구성일 수 있다.
본 발명에 따르면, 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프에 대해 광학회절소자(DOE; Diffractive Optical Element) 표면을 접목한 고 개구율(NA; Numerical Aperture) 광학계를 활용함으로써 차량 헤드램프 측 색 번짐을 크게 개선할 수 있고 빔 패턴의 용이한 구현 등 광학효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 입사렌즈와 색번짐방지렌즈 2매로 구성하여 아주 간단한 구조 및 저가형 설계로 구비된 차량 헤드램프용 광학계를 제공하고, 양산성을 만족시킬 수 있으며, 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면과 비구면을 함께 접목함으로써 평행광 또는 프로젝션광 처리와 동시에 색 번짐 방지기능을 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 광학회절소자(DOE) 표면을 접목한 간단한 구조를 갖는 프로젝션 시스템을 구현할 수 있고, 하이 빔과 로우 빔을 위한 빔 패턴 제어를 용이하게 수행하되, 북미 표준배광 규정(SAE Standard)이나 유럽 표준배광 규정(ECE Regulation)을 만족시키는 새로운 구성을 제안하며, 색 번짐을 개선하면서도 양산성까지 만족시킬 수 있고 밝기를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 차량 헤드램프 측 색 번짐을 개선함으로써 차량의 하이 빔(high beam)과 로우 빔(low beam)의 풀 빔(full beam)을 구현하는 용도로 유용하게 활용할 수 있으며, 입사광에 입사각 제약이 존재하고 광이 잘리는 현상에 의해 광손실이 발생되는 단점으로 빔 패턴의 형성에 따른 광효율이 떨어지던 문제점을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계를 나타낸 단면 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계를 나타낸 입체 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계에 있어 평행광 처리 또는 프로젝션광 처리를 보여주는 광 추적도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계에 있어 제2렌즈 측 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면을 보여주는 요부 상세도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계에 있어 구체적인 수치를 적용시킨 렌즈별 데이터를 나타낸 예시이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계에 있어 구체적인 수치를 적용시킨 코닉 상수 및 비구면 데이터를 나타낸 예시이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계에 있어 구체적인 수치를 적용시킨 광학회절소자(DOE) 표면 데이터 및 굴절 데이터를 나타낸 예시이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계에 있어 비교 데이터를 포함하는 색 번짐 개선의 예시를 보여주는 시뮬레이션 데이터이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계를 나타낸 입체 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계에 있어 평행광 처리 또는 프로젝션광 처리를 보여주는 광 추적도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계에 있어 제2렌즈 측 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면을 보여주는 요부 상세도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계에 있어 구체적인 수치를 적용시킨 렌즈별 데이터를 나타낸 예시이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계에 있어 구체적인 수치를 적용시킨 코닉 상수 및 비구면 데이터를 나타낸 예시이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계에 있어 구체적인 수치를 적용시킨 광학회절소자(DOE) 표면 데이터 및 굴절 데이터를 나타낸 예시이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계에 있어 비교 데이터를 포함하는 색 번짐 개선의 예시를 보여주는 시뮬레이션 데이터이다.
본 발명에 대해 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같으며, 이와 같은 상세한 설명을 통해서 본 발명의 목적과 구성 및 그에 따른 특징들을 보다 잘 이해할 수 있게 될 것이다.
본 발명을 설명함에 있어, ‘앞쪽’이나 ‘전방’은 광원을 기준으로 빛이 출사 또는 전사되는 방향을 의미하고, ‘뒤쪽’이나 ‘후방’은 광원을 바라보는 방향을 의미한다.
도 1 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계는 그 주요 특징으로 광학회절소자(DOE; Diffractive Optical Element) 표면을 접목한 간단한 구조의 프로젝션 시스템을 제공함으로써 광원으로 면광원인 Micro-LED를 사용하되, 램버시안 배광형태를 갖는 Micro-LED의 배광 분포를 조정하여 평행광 처리는 물론 프로젝션광 처리를 통해 차량의 하이 빔이나 로우 빔 전사를 위한 빔 패턴을 제어시 색 번짐을 개선하여줄 수 있도록 하는 구성을 제안한다.
또한, 고(high) 개구율 적용을 통해 차량 헤드램프 측 광학효율을 향상시킬 수 있도록 하는 구성을 제안한다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자(DOE) 표면을 갖는 고 개구율 광학계(100)는 도 1 내지 도 4에 나타낸 바와 같이, 면광원인 Micro-LED를 광원(1)으로 사용함을 전제 조건으로 하며, 상기 광원(1) 측 일반적인 램버시안 배광 분포를 제어함으로써 차량용 평행광 처리 또는 하이 빔이나 로우 빔을 전사시 빔 패턴을 정밀하고 세밀하게 조정하면서 색 번짐을 방지 및 개선하는 역할을 수행하도록 구비된다.
상세하게, 본 발명에서는 광원(1)의 앞쪽에 배치되는 입사렌즈(110)와 상기 입사렌즈(110)의 앞쪽에 밀착 배치되는 색번짐방지렌즈(120)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
상기 입사렌즈(110)와 색번짐방지렌즈(120) 각각은 투광성을 갖는 유리 또는 플라스틱 소재로 구성할 수 있으며, 모두 동일한 소재로 구성하거나 또는 서로 다른 소재로 조합하는 구성일 수도 있다.
상기 입사렌즈(110)는 광원(1)의 앞쪽에 배치되는 블록형상의 렌즈구조체로서, LED 광원(1) 측 발산광이 입사되고, 이러한 입사광에 대해 전방(前方)을 향해 그대로 투과시키는 기능과 함께 1차적으로 굴절 처리하는 역할을 담당한다.
상기 입사렌즈(110)는 상기 광원(1) 측 방사가 진행되는 방향에 대하여 오목형 원추면으로 구비되는 제1면(R1)과, 볼록형 곡면으로 구비되는 제2면(R2)을 포함한다.
상기 입사렌즈(110)는 일정 두께와 곡면 형성에 따른 일정 반경을 갖도록 구비된다.
이때, 상기 입사렌즈(110) 측 제2면(R2)은 비구면으로 구비함으로써 비구면에 대한 곡률값을 적절하게 조정할 수 있고 광학계(100) 자체의 형상 구조를 적정범위 내에서 용이하게 수정 및 변형할 수 있으며, 이를 통해 LED 광원(1)의 발산광에 대한 출사측 방사경로를 임의대로 자유롭게 조정할 수 있고 배광분포를 용이하게 조정 및 제어할 수 있도록 구성함이 바람직하다.
상기 색번짐방지렌즈(120)는 상기 입사렌즈(110)의 앞쪽에 밀착 배치되는 블록형상의 렌즈구조체로서, 입사렌즈(110)에 의해 1차 굴절 및 투과된 광에 대해 2차 굴절 및 투과작용을 통해 직선 형태로 평행광 처리 또는 프로젝션 처리하되, 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 구조를 표면에 구비함으로써 색 번짐 방지기능을 동시에 수행하는 역할을 담당한다.
상기 색번짐방지렌즈(120)는 상기 제1렌즈(110)의 제2면(R2)에 중심부분이 밀접되는 볼록형 곡면을 갖되 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면으로 구비되는 제1면(R3)과, 볼록형 곡면을 갖되 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면으로 구비되는 제2면(R4)을 포함한다.
상기 색번짐방지렌즈(120)는 일정 두께와 곡면 형성에 따른 일정 반경을 갖도록 구비된다.
이때, 상기 색번짐방지렌즈(120) 측 제1면(R3)과 제2면(R4) 각각은 비구면으로 구비함으로써 비구면에 대한 곡률값을 적절하게 조정할 수 있고 광학계(100) 자체의 형상 구조를 적정범위 내에서 용이하게 수정 및 변형할 수 있으며, 이를 통해 LED 광원(1)의 발산광에 대한 출사측 방사경로를 임의대로 자유롭게 조정할 수 있고 배광분포를 용이하게 조정 및 제어할 수 있도록 구성함이 바람직하다.
여기에서, 상기 색번짐방지렌즈(120) 측 제1면(R3)과 제2면(R4) 각각에 접목되는 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면은 하기에서와 같은 장점을 제공할 수 있다.
광학회절소자(DOE; Diffractive Optical Element)를 통해서는 빔을 안정되게 형성 및 미세한 분할을 통해 빔을 패턴화하며, 이를 통해 제1면으로 입사되는 입사광 측 손실을 최소화할 수 있고 빔 패턴의 용이한 형성과 더불어 광학효율을 개선하여줄 수 있다.
프레넬 구조를 통해서는 도 4에서 보여주는 예시에서와 같이 동심홈 패턴을 갖는 곡면을 연속적으로 제공하는 것으로서, 입사광 및 출사광에 대해 집광기능을 발휘함은 물론 투과성을 높여줄 수 있다.
이에 따라, 상기 입사렌즈(110)와 색번짐방지렌즈(120)에 의한 2매의 조합 구성을 통해서는 LED 광원(1) 측 발산광에 대한 굴절 및 투과작용을 효과적으로 유도하고 배광분포를 조정 및 제어함으로써 평행광 처리 또는 프로젝션 처리를 더욱 용이하게 구현할 수 있으며, 특히 상기 색번짐방지렌즈(120)에서는 제1면(R3)과 제2면(R4) 각각에 대해 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면을 접목하되 비구면으로 구비함으로써 색 번짐을 방지하는 등 개선기능을 구현할 수 있고, 제어된 빔 패턴에 대해 밝기를 향상시킬 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
이와 같이, 상술한 입사렌즈(110)와 색번짐방지렌즈(120)의 2매 렌즈배열로 아주 간단하게 이루어지는 본 발명에 따른 차량 헤드램프용 광학회절소자(DOE) 표면을 갖는 고 개구율 광학계(100)는 배광분포 조정과 색번짐 방지 효율을 높이고 밝기를 향상시키기 위해 하기에서 설명하는 조건들을 만족하도록 구비할 수 있다.
상기 입사렌즈(110)와 색번짐방지렌즈(120) 각각은 굴절률과 분산률을 적용함에 있어 1.49≤n≤1.60 범위의 굴절률(n) 조건과, 50≤v≤70 범위의 분산률(v) 조건을 만족하도록 설계함이 바람직하다.
여기에서, 상기 입사렌즈(110)와 색번짐방지렌즈(120) 각각은 상기한 굴절률과 분산률 조건을 만족함과 더불어 환경 변화에 강하도록 크라운(crown) 계열의 렌즈를 사용함이 바람직하다.
또한, 상기 광원(1)을 수렴하는 상기 입사렌즈(110)와 색번짐방지렌즈(120)를 포함하는 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계(100)는 개구율(NA; 렌즈의 해상력을 결정하는 수)을 0.95 이상으로 하여 빔을 제어하도록 구성함으로써 전체적인 밝기를 향상시키도록 설계함이 바람직하다.
한편, 이와 같은 상술한 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계(100)에 있어 렌즈별 수치 적용을 갖는 실시예 및 그에 의한 시뮬레이션 데이터를 도 5 내지 도 10을 참조하여 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계(100) 있어 구체적인 수치 적용의 실시예를 갖는 렌즈별 적용 데이터(도 5 참조)와, 코닉 상수 및 비구면 데이터(도 6 참조), 광학회절소자(DOE) 표면 데이터 및 굴절 데이터(도 7 참조)를 보여주는 것이다.
이때, 입사렌즈(110)와 색번짐방지렌즈(120)는 모두 아크릴의 플라스틱 소재로 구성하였으며, 상술한 1.49≤n≤1.60 범위의 굴절률(n) 조건과, 50≤v≤70 범위의 분산률(v) 조건을 만족하고 있음을 보여주고 있고, 환경변화에 강하도록 크라운(crown) 계열의 렌즈를 사용하였다.
여기에서, 광원(1)으로는 면광원 배열구조를 갖는 Micro-LED모듈을 사용하되, 오스람의 Eviyos LED를 적용하였다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계에 있어 도 5 내지 도 7을 참조하는 구체적인 수치 적용 및 상술한 실시예에 의한 성능지표를 보여주는 시뮬레이션 데이터로서, 최종적으로 전사되어 디스플레이되는 성능지표를 각각 보여주는 데이터이다.
도 8의 (a)는 본 발명의 비교군으로 사용된 단순 비구면 적용에 의한 시뮬레이션 데이터이고, 도 8의 (b)는 본 발명에 따른 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면 및 비구면을 함께 접목한 구성을 갖는 시뮬레이션 데이터이다.
도 8의 (a)에서는 단순 비구면만 적용시 RGB 풀 칼라가 분산되어 색 번짐이 심하게 발생되고 있는 반면에, 도 8의 (b)에서는 RGB 중 블루(B) 칼라만이 분산되고 있어 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 접목을 통해 색 번짐이 개선됨을 보여주고 있다.
또한, 도 8의 (a)와 (b)에서 명확하게 확인할 수 있는 바와 같이, 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면을 접목시 색 번짐 개선에 의해 밝기에도 각별한 차이가 발생함을 보여주고 있는데, 도 8의 (a)에 비해 (b)에서 밝기가 더욱 선명함을 보여주고 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계에 있어 도 5 내지 도 7을 참조하는 구체적인 수치 적용에 의한 성능지표를 보여주는 시뮬레이션 데이터로서, 2.5M 전방에 디스플레이되는 센터영역 측 조도 및 칼라를 보여주는 시뮬레이션 데이터이다.
도 9에서, (a)는 본 발명의 비교군으로 사용된 단순 비구면 적용에 의한 시뮬레이션 데이터이고, (b)는 본 발명에 따른 비구면 및 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면을 함께 접목한 구성에 의한 시뮬레이션 데이터이다.
도 9의 (a)는 색 분산에 의해 무지개 색상을 표출하고 있고 색 번짐이 심하게 형성되고 있음을 보여주고 있는 반면에, 도 9의 (b)는 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면 및 비구면을 함께 접목함에 따라 무지개 색 번짐이 사라지는 등 색 번짐이 개선됨을 보여주고 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계에 있어 도 5 내지 도 7을 참조하는 구체적인 수치 적용에 의한 성능지표를 보여주는 시뮬레이션 데이터로서, 25M 전방에 디스플레이되는 주변영역 측 조도 및 칼라를 보여주는 시뮬레이션 데이터이다.
도 10에서, (a)는 본 발명의 비교군으로 사용된 단순 비구면 적용에 의한 시뮬레이션 데이터이고, (b)는 본 발명에 따른 비구면 및 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면을 함께 접목한 구성에 의한 시뮬레이션 데이터이다.
도 10의 (a)는 2.5M에 비해 원거리로 갈수록 다른 수차에 더해져서 색수차 부분이 매우 심하게 형성되고 있음을 보여주고 있는 반면에, 도 10의 (b)는 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면 및 비구면을 함께 접목함에 따라 색수차가 단순 비구면 적용에 비해 보정 및 개선됨을 보여주고 있다.
따라서, 상술한 구성 및 구체적인 실시예를 갖는 본 발명에 따른 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광확회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계(100)는 최종적으로 전사되어 디스플레이되는 제어된 빔 패턴에 대해 색 번짐을 개선할 수 있고, 고 개구율 적용으로 빔 패턴의 용이한 구현은 물론 밝기 향상 등 광학처리효율을 높일 수 있으며, 차량의 하이 빔(high beam)과 로우 빔(low beam)의 풀 빔(full beam)을 구현하는 용도로 유용하게 활용할 수 있으며, 특히 차세대 미래기술인 전기 자동차에 적용할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 차량용 헤드램프에 대해 북미 표준배광 규정(SAE Standard)이나 유럽 표준배광 규정(ECE Regulation)을 모두 만족시키는 배광 제어를 수행할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과한 것으로서, 이러한 실시예에 특별히 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 기술분야의 당업자에 의하여 수정과 변형 또는 치환이 이루어질 수 있다 할 것이며, 이는 본 발명의 기술적 권리범위 내에 속한다 할 것이다.
1: 광원 100: 차량 헤드램프용 광학계
110: 입사렌즈 120: 색번짐방지렌즈
110: 입사렌즈 120: 색번짐방지렌즈
Claims (5)
- 광원으로 면광원인 Micro-LED를 사용하되, 광원의 배광 분포를 조정하여 차량의 하이 빔이나 로우 빔 전사를 위한 빔 패턴을 제어하는 차량 헤드램프용 광학계에 있어서,
상기 광원의 앞쪽에 배치되는 렌즈구조체로서, 광원 측 발산광이 입사되고, 입사광에 대해 투과기능과 함께 1차적으로 굴절 처리하는 입사렌즈;
상기 입사렌즈의 앞쪽에 밀착 배치되는 렌즈구조체로서, 입사렌즈에 의해 1차 굴절 및 투과된 광에 대해 2차 굴절 및 투과작용을 통해 평행광 처리 또는 프로젝션 처리하되, 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 구조를 표면에 구비함으로써 색 번짐 방지기능을 동시에 수행하는 색번짐방지렌즈(120); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 것으로서,
상기 입사렌즈는,
상기 광원 측 방사가 진행되는 방향에 대하여 오목형 원추면으로 구비되는 제1면(R1)과, 볼록형 곡면으로 구비되는 제2면(R2)을 포함하고;
상기 색번짐방지렌즈(120)는,
상기 입사렌즈의 제2면(R2)에 중심부분이 밀접되는 볼록형 곡면을 갖되 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면으로 구비되는 제1면(R3)과, 볼록형 곡면을 갖되 광학회절소자 프레넬(DOE-Fresnel) 표면으로 구비되는 제2면(R4)을 포함하는 것이고,
상기 입사렌즈 측 제2면(R2), 상기 색번짐방지렌즈(120) 측 제1면(R3)과 제2면(R4)은 각각 비구면으로 이루어지며;
상기 입사렌즈와 색번짐방지렌즈(120) 각각은 투광성을 갖는 유리 또는 플라스틱 소재로 이루어지되, 동일 소재로 구성하거나 서로 다른 소재로 조합한 구성이 가능한 것이며,
상기 광원을 수렴하는 입사렌즈와 색번짐방지렌즈(120)는 개구율(NA; 렌즈의 해상력을 결정하는 수)을 0.95 이상으로 하여 빔을 제어하는 것이고,
상기 입사렌즈와 색번짐방지렌즈(120) 각각은,
1.49≤n≤1.60 범위의 굴절률(n) 조건과, 50≤v≤70 범위의 분산률(v) 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 광원으로 Micro-LED를 사용한 차량 헤드램프용 광학회절소자 표면을 갖는 고 개구율 광학계.
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