KR101256235B1 - 차량용 야시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복사 광원 및 필터를 포함하는 예를 들어 전조등과 같은 차량용 적외선 조명 장치에 관한 것이다. 이 장치는 하나의 축에서 800 내지 1200 nm의 파장 범위의 특정한 강도를 갖는 백색광 및 적외선광을 방사하며 필터는 제1 각도에서 광원의 제1 가시적 부분을 전달할 수 있고 제1 각도와는 다른 제2 각도에서는 광원의 제2 가시적 부분을 전달할 수 있으며 이런 전달된 두 가지 부분이 각각 백색광을 형성한다.

차량용 야시장치, 적외선 조명장치, 백색광, 적외선광

Description

차량용 야시 장치{NIGHT VISION SYSTEM FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 야시 보조 장치에 관한 것이다.

차량 전방에서 외측을 향하는 광선을 방출하는 적외선 전조등 및 적외선 카메라 및 카메라에 수용된 영상을 가시적 형태로 운전자에게 전달하는 장치를 포함하는 시스템은 이미 알려져 있다. 전조등은 광원의 광선 중에 가시적 부분을 억제하고 적외선 대역에 있는 부분을 전달하는 필터 및 백색 광원을 포함한다.

하지만 이러한 유형의 필터는 흔히 실제 현장에서 특히 적색 색상 대역에 있는 가시 광선을 통과시킨다. 전조등에서는 그 강도와는 무관하게 이러한 적색 누설광이 장애 요인으로 작용하는데, 그 원인은 이런 적색 누설광이 다른 운전자들에게 차량의 전면과 후면을 혼동시킬 수 있기 때문이다. 하지만 적외선의 유용한 부분, 즉 800 nm와 1000 nm 사이의 광선 대역을 그대로 유지하면서 적색 광선을 억제하는 것과 관련된 필터의 처리는 고가이다. 또한 억제해야 하는 (적색) 대역이 통과시켜야 하는 유용한 적외선 대역에 바로 인접하게 존재한다는 문제점이 있다. 따라서 필터의 투과 특성이 급경사 모서리를 가질 필요성이 존재하는데, 그 이유는 적색 대역에서의 필수적인 매우 양호한 억제가 적외선 대역에서의 필수적인 매우 양호한 전달과 서로 상반되기 때문이다.

이러한 문제점을 극복하기 위해 독일 특허 DE 699 03 076에는 필터를 구비한 적외선 조명 장치가 공개되어 있는데, 이러한 조명 장치가 그 축을 따라 백색광 및 적외선광을 방사하도록 필터의 투과율이 설계되며, 백색광의 강도는 영이 아닐 수 있지만 2000 Cd 미만이다.

이는, 필터가 적외선광(IR광), 자외선광(UV광) 및 가시적 근청색광 및 근적외선광 및 그 사이의 황녹 기본 색상을 갖는 가시적 기본광을 전달함으로써 달성된다. 도 1은 독일 특허 DE 699 03 076의 실시 형태에 따른 파장(λ)에 대해 함수 관계를 갖는 노치 필터의 투과율(T)를 개략적으로 나타낸다. 투과된 가시적 잔류광은 백색광으로 인식된다.

이러한 노치 필터는 멀티 레이어 시스템을 통해 구현된다. 그 반사 및 투과 특성은 주로 간섭 효과에 기인한다. 종래 기술에서는 백색광의 전달된 가시적 부분이 합성될 수 있도록 광원의 가시 광선을 전달하는 방식으로 이런 필터가 구현된다(독일 특허 DE 69903 076의 청구항 3). 간섭 필터는 각도에 따른 상이한 투과 양상을 나타내므로, 필터가 전조등의 각 입사광 기하 구조에 맞게 조절되어야 한다. 예로서 도 3a에는 필터(10)에 거의 수직으로 조사되는 입사광 기하 구조를 갖는 전조등(2)이 도시되어 있다. 이에 상응하게 전조등의 입사광 기하구조는 거의 수직으로 입사되는 입사광 형상에 대해 아무런 영향을 미치기 않는다. 하지만 각각의 새로운 기하 구조에 맞게 필터를 조절하는 것이 매우 복잡하고 많은 비용이 소요된다.

따라서 본 발명의 목적은 복수의 입사광 기하구조에 대해 폭 넓은 공차를 갖는 투과 특성을 포함하는 필터를 제공하는 것이다.

다른 문제점은 이러한 간섭 필터의 제조, 즉 극복하기 어려운 디자인 변동과 관련된 것이다. 투과 특성에 영향을 미치는 주요 매개변수로는 광학적 층 두께 및 층의 굴절률을 들 수 있다. 코팅 공정 중에 또는 하나의 코팅에서 다른 코팅으로 전환하는 공정에서 이러한 매개변수의 약간의 변동은 가시광의 어떤 부분이 전달되는 지에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 공정에서 가시 광선의 작은 일부분만 투과되어야 하며(예를 들어 대역의 0.5 %) 따라서 약간의 부정확한 투과로도 색감에 큰 변화를 발생시킬 수 있다는 점에 주의해야 한다.

따라서 본 발명의 다른 목적은, 제조 공차를 줄이기 위해 많은 비용이 소요되는 조치가 필요하지 않으면서 높은 수득률을 갖는 조명 장치에 필요한 간섭 필터의 제조 방법을 제공하는 것이다.

전문가들 사이에 알려진 바와 같이 색감은 주로 3가지 요인에 의해 결정된다: a} 광원의 방사 특성(전형적인 광원은 녹색 또는 황녹색 스펙트럼 대역에서 그 최고값을 갖는다), b} 파장에 따른 인체 시각 기관의 광감도와 관련이 있는 생리적 요소. 황색에서 광감도가 가장 높음, c} 사용된 광학 시스템의 투과 특성. 기술적으로 색감은 소위 색도 좌표를 통해 측정할 수 있다. 도 2는 상응하는 그래프에서 청색(B), 녹색(G), 적색(R) 및 황색(Y) 색감의 분포를 개략적으로 나타낸다. 또한 도 2에서 파절선으로 표시된 부분은 백색 색감이 나타나는 구역이다.

도 2에서 음영으로 표시된 부분은 현재 충족되어야 하는 소위 ECE 표준에 따라 시스템에 대해 법적으로 규정된 허용 범위를 나타낸다. 이 허용 범위는 다시 도 4에서 확대도로서 도시되어 있다.

법적 승인을 얻기 위해서는, 조명 장치에서 방사되는 광선이 이 ECE 범위에 있어야 한다. 따라서 본 발명의 목적은 이를 서로 다른 입사광 형상에 대해 동시에 구현하는 것이다. 일반적으로 전형적인 광원은 거의 동일한 스펙트럼 특성으로 실제 방사되는 모든 방향으로 각각의 방향에서 방사된다. 입사광 형상에 대해 원하는 공차를 달성하기 위해, 본 발명에 따른 필터는 넓은 입사광 범위에 대해 각각 가시광의 일 부분만 전달하는 특성을 갖는데, 더욱 상세하게는 각 입사각에 대해 백색광이 전달되는 특성을 갖는다.

이는, 전달되는 광선이 필터에서부터 방출된 직후에 각 범위의 각도에 대해 동일한 색도 좌표가 나타나도록 함으로써 구현된다. 하지만 이러한 엄격한 조건은 전혀 필요치 않다. 발명자가 확인한 바와 같이, 입사각 범위에 대해 법적으로 허용되는 범위 내에 존재하는 각 색도 좌표만 구현되는 것으로 충분하다. 또한 발명자가 확인한 바와 같이, 청황색 축을 따라 변형을 허용하는 것이 특히 바람직하다(도 4에서 축 A-A'를 따라). 이에 따라 간섭 필터 제조 시 설계 단계에서 뿐 아니라 제조 단계에서도 필터의 투과 특성이 녹색 범위에서 특히 안정적으로 유지되도록 주의해야 한다. 이는 제조 공차 뿐 아니라 각도 의존성에 관련하여서도 중요한 의미를 갖는다. 이에 반해 청색 범위 및 황적색 범위에서의 안정성에 대한 요건은 엄격하지 않다. 이로 인한 결과로서 입사각 및/또는 제조 공차와 관련하여 색도 좌표의 변형이 나타나기는 하지만, 이런 변형은 주로 도 4의 축 A-A'를 따라 나타난다. 이로써 현재까지의 종래 기술에 따라 가능했던 것에 비해 법적 요건을 더욱 간단하고 정확하게 충족하는 것이 가능하다.

도 1은 독일 특허 DE 699 03 076의 실시 형태에 따라 파장(λ)과 함수 관계를 갖는 노치 필터의 투과율(T)나타내는 개략도이다.

도 2는 청색(B), 녹색(G), 적색(R) 및 황색(Y) 색감의 분포를 나타내는 그래프도이다.

도 3a에는 필터(10)에 수직으로 조사되는 입사광 기하 구조를 갖는 전조등(2)의 측면도이다.

도 4는 ECE 표준에 따라 시스템에 대해 법적으로 규정된 허용 범위를 도시하는 확대도이다.

도 5는 오슬람(Osram) 사의 모델 H11(12V, 55W, 64211SUP)인 할로겐 전조등 램프가 장착된 야시 보조 장치의 파장 대 스펙트럼 진행을 나타내는 그래프도이다.

도 6a는 오슬람(Osram) 사의 모델 H11(12V, 55W, 64211SUP)인 할로겐 전조등 램프가 장착된 야시 보조 장치를 나타내는 측면도이다.

도 6b는 0˚, 10˚, 20˚, 30˚ 및 40˚의 입사각에 대한 최적화의 결과를 나타내는 그래프도이다.

아래에서는 색도 좌표에서 0˚ 내지 40˚의 각도 범위에 대해 모두 ECE 백색 범위에 존재하는 본 발명에 따른 필터의 제조 과정이 실험예를 통해 상세히 설명된다.

오슬람(Osram) 사의 모델 H11(12V, 55W, 64211SUP)인 할로겐 전조등 램프가 장착된 야시 보조 장치에 사용되었다. 상응하는 스펙트럼 진행은 도 5에 도시되어 있다. 이러한 전조등의 대략적 구조는 도 6a에 도시되어 있다.

필터의 기판 재료로서 코닝(Corning) 유리 기판이 사용되었다.

실험예에는 필터용 코팅 재료인 산화니오븀이 고굴절 재료로서 사용되고 SiO2가 저굴절 재료러서 사용되었다. 대안적 코팅 재료로서 예를 들어 산화티타늄/산화규소 또는 산화탄탈/산화규소가 가능하다.

멀티 레이어 시스템의 필요한 층 두께를 측정하기 위해 일반 시판형 박막 연산 프로그램이 사용되었다(A. Tikhonravov 및 M. Trubetskov의 윈도우용 OptiLayer).

소위 RayTrace 프로그램(ASAP, 상용 프로그램), 즉 복잡한 광학 시스템의 광학적 거리를 시뮬레이션하는 소프트웨어를 이용해 어떤 입사각이 중요한 지를 측정했다. 본 출원에서 설명하는 실험예에서는 ASAP를 통한 계산 결과, 필터에 대한 주요 입사각이 20˚인 것으로 나타났다. 하지만 정확한 시스템 레이아웃과 무관하게 측정이 가능하도록 하기 위해, 디자인이 0 내지 40˚에 맞게 최적화되었고 따라서 변형이 "ECE 백색 범위 축"을 따라 진행했다(도 4의 축 A-A'를 따라 진행).

이를 위해 디자인이 각각 단계적으로 각도에 맞게 최적화되었다. 우선 가시 범위에서 20˚의 입사각에 대해 평균 0.5 % 이상이 투과되는 것이 확인되었다. 또한 디자인은, 그 T=50% 포인트가 실험예에서 780 nm에 있는 급경사 모서리를 가져야 하며 적외선 범위(파장 800-1000 nm)에 대해 75 % 이상을 투과시킨다. 추가적으로 실제 사용에서 신체의 안구를 보호하기 위해, 약 1040 nm 이상부터 근적외선 범위에서 적어도 25 nm의 폭으로 60 % 미만을 투과시키도록 디자인이 설계된다.

이에 따라 20˚의 입사각에 대해 스펙트럼 특성이 그대로 유지되는 조건에서 ECE 표준의 범위에서 가능한 한 중앙에 오도록 색도 좌표가 최적화된다(즉 가능한 한 좌표 x=0.375 및 y=0.375에 인접하게, 바람직하게는 정확하게 이 위치에 오도록 최적화). 이어서 0˚, 30˚ 및 40˚의 입사각에 대해 색도 좌표가 최적화되므로 색도 좌표는 항상 ECE 표준(Economic Commission for Europe standard)의 범위 내에 오게된다. 하지만 이 입사각에 대해 20˚의 입사각에서와 동일한 색도 좌표가 구현될 필요는 없다. 단, 가능한 한 도 4에서 기준 A-A'로 표시된 축을 따라 ECE 백색 범위 내에서 각도 변화가 이루어지는 것이 요구된다. 이는, 녹색 범위(480-580 nm)에 대한 다양한 각도의 스펙트럼이 가능한 한 변화되지 않도록 함으로써 매우 간단하게 달성된다. 이러한 최적화의 결과는 도 6b에서 0˚, 10˚, 20˚, 30˚ 및 40˚의 입사각에 대해 도시되어 있다. A-A' 축은 일차방정식 y=0.695*x+0.1을 통해 정의할 수 있다. 도 6b에서 입사각이 증가함에 따라 x 좌표가 일정하게 증가하는 것을 알 수 있다. y 좌표는 인터벌이 0.31≤x≤0.45의 범위에 있는 x 좌표에서 정의된 직선으로부터 최대 0.025의 편차를 가져야 한다. 더 작은 x에 대해서는 색도 좌표가 더 이상 ECE 범위에 있지 않으며, 더 큰 x에 대해서는 수평 방향으로의 이동이 바람직한데, 그 이유는 이로써 ECE 표준의 범위에 놓이기 때문이다.

녹색 범위에서의 변경 제한은 이 범위가 최적화 시 상당히 가중됨으로써 달성된다. 이는, 필터 디자인이 0˚에서 40˚까지의 입사각에 대해 ECE 백색 범위를 따라 진행하는 것을 보장하기 위한 목적에 불필요하며 또한 광도 변화를 낮게 유지하기 위한 목적에도 불필요한데, 그 이유는 녹색 범위가 가장 큰 영향을 미치기 때문이다.

표 1에는 디자인의 광학적 층 두께에 대한 분포 및 적용된 굴절률이 명시되어 있다.

사용한 재료 산화니오븀의 굴절률은 2.34이고 산화규소의 굴절률은 1.47이다.

실험예에서 필터 제조에는 스퍼터링 기술이 적용되었다(더욱 정확하게는 DC 마그네트론 반응성 스퍼터링 기술). 실제 현장에서는 공정 중에 지속적으로 광학 스펙트럼이 측정되며(모니터링) 편차가 확인되면 스퍼터링 공정이 계산된 목표 스펙트럼에 의해 수정된다. 이로써 구현된 필터가 특히 녹색 범위에서 실제 요구되는 광학적 특성을 갖는 것이 달성된다. 다른 방법으로 설명하면 다음과 같다: 색도 좌표가 ECE 백색 범위에서 진행하도록, 제품의 제조 시 특히 480-580 nm의 파장 범위에서 모니터링이 최고로 가중된다.

대안적으로 다른 코팅 기술을 적용할 수도 있다. 여기에는 PVD 및 CVD 공정이 포함된다. 특히 공정에 플라즈마가 사용될 경우(IAD), PVD 공정으로서 예를 들어 열증착이 적용될 수 있다.

이러한 필터가 전조등의 광경로에 부착될 경우, 차량용 적외선 조명 장치, 즉 예를 들어 적어도 하나의 광원 및 하나의 필터를 구비한 전조등이 구현되며, 이 장치는 장치의 축에서 백색광 및 800 내지 1200 nm 파장 범위의 적외선광을 방사할 수 있으며, 적외선광은 25 w/sr을 초과하는 강도를 가지며 백색광은 영이 아닌 2000 Cd 미만의 강도를 갖는다. 필터는 제1 각도에서 광원의 제1 부분 가시광의 제1 가시 부분을 투과시킬 수 있고 제1 각도와 다른 제2 각도에서는 광원의 제2 부분 가시광의 제2 가시 부분을 투과시킬 수 있다. 투과되는 제1 가시 부분은 백생광을 형성하고 투과되는 제2 가시 부분은 백색 광을 형성하는 것을 특징으로 한다.

Claims (4)

1. 적어도 하나의 광원(2) 및 하나의 필터(10)를 포함하는 차량용 적외선 조명 장치에 있어서, 상기 장치는 하나의 축에서 백색광 및 800 내지 1200 nm 파장 범위의 적외선광을 방사할 수 있고, 적외선광은 25 W/sr을 초과하는 강도를 가지고, 백색광은 영(제로) 초과 2000 Cd 미만의 강도를 가지며, 상기 필터(10)는 광원(2)으로부터의 광선이 0˚ 내지 40˚사이의 임의의 입사각에 대하여 필터(10)를 투과한 직후에 ECE 표준의 백색광이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 적외선 조명 장치.
2. 제1항에 있어서, 서로 다른 입사각으로 투과된 두 부분의 백색광에 대하여, 두 입사각 중 큰 입사각이 가져오는 투과된 백색 부분의 상응하는 색도 좌표의 x 좌표는 작은 입사각이 가져오는 투과된 백색 부분의 상응하는 색도 좌표의 x 좌표보다 큰 것을 특징으로 하는 차량용 적외선 조명 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 입사각에 상응하게 투과된 백색 부분 각각에 대한 색도 좌표의 각 y 좌표가 일차방정식 y=0.695*x+0.1을 통해 정의된 직선으로부터 x 좌표의 범위 0.31≤x≤0.45에서 0.025를 초과하는 편차를 갖지 않는 것을 특징으로 하는 차량용 적외선 조명 장치.
4. 삭제

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