KR101358702B1 - 차량용 적응성 정면 조명 시스템을 위한 램프 장치 - Google Patents

차량용 적응성 정면 조명 시스템을 위한 램프 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량(100)용 적응성 정면 조명 시스템(AFS; 500)의 램프 장치(501)에 관한 것이다. 램프 장치(501)는 광원(502)에 의해 방출되는 광을 수신하도록 배열된 액정 소자(200/200')를 포함하고, 상기 액정 소자(200/200')는 입사 광을 실질적으로 굴절시키지 않고 상기 입사 광을 투과하도록 적응되는 제1 상태, 및 상기 입사 광이 상기 액정 소자를 통과할 때 상기 입사 광을 굴절시키도록 적응되는 제2 상태를 갖는다. 이것은 램프 장치(501) 내의 또는 램프 장치(501)의 어떠한 기계적인 이동 없이도 광이 변경되는 것을 가능하게 한다. 본 발명은 또한 그러한 램프 장치(501)를 포함하는 AFS(500) 및 그러한 AFS(500)를 포함하는 차량(100)에 관한 것이다.
차량, 적응성 정면 조명 시스템, 램프 장치, 제어 장치, 액정 소자, AFS

Description

차량용 적응성 정면 조명 시스템을 위한 램프 장치{LAMP UNIT FOR AN ADAPTIVE FRONT LIGHTING SYSTEM FOR A VEHICLE}
본 발명은 차량용 적응성 정면 조명 시스템(AFS)의 램프 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 그러한 램프 장치를 포함하는 AFS 및 그러한 AFS를 포함하는 차량에 관한 것이다.
일반적으로, 차들은 하향등과 상향등을 가지며, 일부는 안개 속에서의 불리한 운전 조건들에 대처하기 위해 한 쌍의 안개등을 갖는다. 그러나, 낮 동안 그리고 공공 조명이 설치된 건물이 많은 지역들에서의 운전 동안 특수등에 대한 표현된 필요에 의해 상이한 환경적 요구들이 강조된다. 교차로가 많은 도심 지역들에서, 현재의 비대칭 주요 등은 특히 정지 후 가속 동안 추가 섬광이 발생할 때 역효과를 나타낸다. 분리된 차도 상에서 차량이 다가오는 상황에서 보다 높은 속도로 대로 상에서 운전하는 것은 다른 조명 기능들을 필요로 한다. 불리한 기상 조건들은 도로 반사로 인해 다른 영향을 미쳐, 광도를 낮추고 (반사) 섬광을 늘린다. 눈, 비가 오거나 안개가 낀 경우, 방사된 광은 눈송이들 또는 물방울들에 의해 흡수되고 산란되며, 반사 광에 의해 시야가 가려져 가시 범위가 줄어든다. 이 때문에, 입법 은 적응성 정면 조명 시스템(AFS)의 도입을 준비하고 있다.
AFS는 차량의 방향을 예측할 수 있도록 차량 헤드 램프가 투사 빔 패턴을 선택적으로 변경할 수 있는 시스템이다. AFS는 헤드 램프가 전방으로만 광을 투사할 수 있는 고정 헤드 램프 시스템과는 대조적이다. AFS는 차량이 회전하거나 경사로를 오르내리는지에 관계없이 차량 전방의 도로 상에 계속 광을 투사하도록 도로 조건들 및 차량 이동에 따라 빔 패턴을 변경하므로 운전자에게 유용하다. 결과적으로, 운전자는 전방 도로를 더 잘 인식하게 되며, 따라서 다가오는 도로에 있는 장애물들 또는 다른 문제들을 더 정확하게 예상할 수 있게 된다. AFS는 차량의 차대 피치가 현가 장치에 대해 변하는 동안에도 빔 패턴을 위 또는 아래로 기울임으로써 광을 차량 정면의 일정한 거리에 투사할 수 있다. AFS는 또한 차량이 회전하고 있는 동안에 계속적으로 다가오는 도로를 추적할 수 있다. 따라서, 헤드 램프는 운전자가 볼 필요가 있는 도로를 조명한다.
하나의 차량용의 적응성 정면 조명 시스템이 미국 특허 제6,623,147호에 개시되어 있다. 개시된 AFS는 광축 조정 수단, 예를 들어 제어 신호에 따라 수직 상하 방향으로 램프를 기울이기 위하여 전기 모터로 구성되는 레벨링 메커니즘을 포함한다. 그러나, 기계적인 이동은 고장나기 쉽고, 짧은 수명을 가지며, 제조 및 설치 비용이 크다. 또한, 기계적인 이동을 위해 상당한 양의 전기가 필요하여, AFS의 제어 비용이 증가한다.
따라서, 종래 기술의 단점들 중 적어도 일부를 실질적으로 극복하고, 더 구체적으로는 널리 알려진 적응성 정면 조명 시스템들의 기계적 고장으로 인한 짧은 수명의 문제를 극복하는 개량된 적응성 정면 조명 시스템이 필요하다.
<발명의 요약>
상기 목적은 청구항 1에 정의되는 바와 같은 차량용 적응성 정면 조명 시스템의 램프 장치에 의해 달성된다. 첨부된 하위 청구항들은 본 발명에 따른 이로운 실시예들을 정의한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 차량용 적응성 정면 조명 시스템의 램프 장치가 제공되며, 이 램프 장치는, 광원에 의해 방출되는 광을 수광하도록 배열된 제1 액정 소자를 포함하고, 제1 액정 소자는 입사 광을 실질적으로 굴절시키지 않고 입사 광을 투과하도록 구성된 제1 상태, 및 입사 광이 액정 소자를 통과할 때 입사 광을 굴절시키도록 구성된 제2 상태를 가지며, 적응성 정면 조명 시스템으로부터 수신되는 신호에 따라 제어되고, 램프 장치는 제1 액정 소자에 의해 방출된 광을 수광하도록 배치된 적어도 하나의 제2 액정 소자를 더 포함하고, 제2 상태에서 제1 액정 소자와 제2 액정 소자 중 하나의 액정 소자는, 입사 광이 그 하나의 액정 소자를 통과할 때 입사 광의 방향을 변경하도록 구성되어 있고, 제2 상태에서 제1 액정 소자와 제2 액정 소자 중 나머지 하나의 액정 소자는, 입사 광이 그 나머지 하나의 액정 소자를 통과할 때 입사 광의 방향을 변경하도록 구성되어 있다.
본 발명에 따르면, 상기 액정 소자가 상기 제2 상태에 들어갈 때, 상기 광원에 의해 방출된 광이 굴절되며, 따라서 상기 램프 장치로부터 방출되는 빔의 형상이 주변 조명 조건들(주간, 새벽, 공공 조명, 야간), 교통 환경(분리된 차도들을 갖는 자동차 도로, 꼬불꼬불한 시골길, 시가지), 기상 조건들(건조, 습함, 비, 눈, 안개) 및 차량 방향들(적재에 의해 발생하는 경사 변화, 운전 중의 동적 경사 변화, 차량의 제어 속도의 정도, 지면 틈새)에 따라 적응될 수 있다. 다가오는 차량의 눈부심을 방지하도록 빔 형상을 적응시켜 교통 안전을 개선하는 것도 가능하다.
광원에 의해 방출되는 광을 굴절시키기 위해 액정 소자가 사용되어 기계적 이동에 대한 필요를 대체하므로, 본 발명에 따른 AFS의 램프 장치를 이용하여 실질 적인 향상이 달성된다. 그러한 램프 장치는 기계적 이동을 이용하는 널리 알려진 AFS용 램프 장치보다 제조 비용이 적고, 설치 및 유지가 쉬우며, 긴 예상 수명을 갖고, 적은 전력을 필요로 할 것이다.
제2 상태에서의 액정 소자는 예를 들어 광을 기울이는 것과 같이 광원으로부터의 광의 방향을 변경하거나, 광 빔을 확대하는 것과 같이 광원으로부터의 광의 분포를 변경하도록 적응될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 액정 소자는 표면 양각 구조를 포함하며, 따라서 제2 상태의 액정 소자는 입사광이 액정 소자를 통과할 때 입사광의 방향 및/또는 분포를 변경한다. 이것은 액정과 고체 구조 사이의 계면에서의 광의 굴절에 기초한다. 이러한 타입의 컴포넌트의 주요 이점은 특정 기능을 수행하기 위한 임의의 굴절 구조를 설계하고, 이 굴절 구조가 다양한 상태 사이에서 스위칭될 수 있는 LC 셀/소자 내에 이 굴절 구조를 배치할 수 있다는 점이다. 예를 들어, 표면 양각 구조는 삼각형, 사각형, 원형 및 타원형 단면들 중 적어도 하나를 갖는 선형 격자 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 삼각형 격자 구조가 사용되는 경우, 그러한 소자 양단에 인가되는 전압의 변화는 경사 효과를 달성할 수 있는데, 예를 들어 수직 방향으로 광의 축을 조정할 수 있어, 광원에 의해 방출되는 광이 경사각에 의존하는 차량으로부터의 거리에서 차량 정면의 도로를 조명하게 된다. 제2 상태에서 빔이 도로를 향해 하향으로 기울어지는 경우, 빔이 더 상향을 향하는 제1 상태에 비해, 도로의 갓길이 더 많이 조명되는 효과가 달성된다. 이러한 효과는 예를 들어 건물이 많은 지역에서 운전할 때 바람직하다. 이에 비해, 대로에서 운전할 때는, 차량 으로부터 보다 먼 거리에 투사되는 보다 좁은 빔으로 도로를 조명하는 것이 바람직하다. 광 빔의 경사 효과는 다가오는 차량의 눈부심을 방지할 때 더욱 이롭다. 이 분야의 전문가들은 수평 방향으로 광의 축을 조정하여, 차량이 도로의 굴곡에 들어설 때 광 빔이 차량과 함께 "회전"하게 하는 것도 가능하다는 것을 알 것이다. 다른 예에서, 원통형 또는 타원형 단면 구조(또는 이 둘의 조합)가 사용될 때, 입사 광이 액정 소자를 통과할 때 입사광의 분포가 변경될 수 있다. 한 방향으로 광의 분포를 변경할 수 있는, 예를 들어 광을 확대할 수 있는 구조들은 다른 방향에서의 강도 분포의 변화를 유발하지 않아서 교통 법규들에 의해 규정되는 섬광 요건이 만족될 때 유력하다. LC 소자 양단에 인가되는 전압의 변경은 방출된 광 빔의 확대 효과를 달성하는 것을 가능하게 하여, 예를 들어 도로의 갓길이 더 많이 조명되게 하는 동시에 빔이 차량 전방에 비교적 멀리 집중되게 한다. 이러한 확대 효과는 교외 환경에서 차량을 운전할 때 유리하다.
본 발명의 다른 실시예에서, 액정 소자는 입사 광의 분포를 변경하는 데 사용될 수 있는 이방성 산란 소자이다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 액정 소자는 GRIN 광학 소자이다. GRIN 광학 소자는 바람직하게는 GRIN 광학 소자의 양단에 전기장을 인가하기 위해 그의 양 표면 상에 선형 전극들을 포함한다. 대안 실시예에서, GRIN 광학 소자는 액정 양단에 전기장을 인가하기 위해 소자 표면들 중 적어도 하나 상에 맞물린 빗살 전극들을 포함한다.
램프 장치는 전술한 임의 타입의 적어도 하나의 추가적인 액정 소자를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 유사한 액정 소자가 어레이 내에 나란히 배열될 수 있다. 또한, 삼각형 격자 구조를 포함하는 것 및 원통 렌즈 구조를 포함하는 것과 같은 상이한 구조들을 갖는 액정 소자들이 조합될 수 있다. 그러한 구성은 전술한 양 효과, 즉 경사 및 확대를 달성하는 것을 가능하게 한다.
높은 에너지 효율을 달성하기 위하여, 광원은 하나 이상의 발광 다이오드(LED), 무기 LED, 고강도 방전 램프 또는 플라즈마 램프를 포함할 수 있다. 예를 들어, LED는 일반적으로 자신이 소비하는 전력의 기껏해야 약 6%를 광의 형태로 전달하는 통상의 전구들보다 훨씬 높은 에너지 효율을 갖는다. 이 분야의 전문가들은 아르곤, 크립톤 및/또는 크세논 광원과 같은 표준 백열 광원을 사용하는 것이 분명히 가능하다는 것을 알 것이다.
본 발명은 LED와 함께 이용하는 것이 가장 적합한데, 이는 LED가 "차가운" 광, 즉 적외선이 없는 광을 방출하기 때문이다. 전술한 다른 램프 기술들이 사용되는 경우, GRIN 광학 소자 또는 액정 소자의 과열을 방지하기 위해 그들의 스펙트럼으로부터 적외선 광을 필터링하는 것에 주의해야 한다.
램프 장치는 이롭게도 투사 렌즈를 더 구비하는데, 이 렌즈는 바람직하게는 액정 소자와 직접 광 접촉한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 설명에 따른 램프 장치, 및 액정 소자(들)에 스위칭 전압을 인가하도록 적응되는 제어 장치를 포함하는 차량용 적응성 정면 조명 시스템이 제공된다. 전하 축적을 방지하기 위해 AC 전압을 사용하는 것이 바람직하다. 주파수는 100 Hz 내지 1 kHz인 것이 바람직하다. 제어 장치는 바람직하게는 인가 전압을 제어하기 위한 가변 전압원을 포함하고, 전압은 액정 소자 의 적어도 두 전극을 통해 액정 양단에 인가된다. 이들 전극은 더 분할될 수 있다.
또한, AFS는 차량의 상태를 지시하는 신호를 제공하기 위한 센서를 포함할 수 있고, 제어 장치는 상기 신호를 수신하고, 수신된 신호에 따라 스위칭 전압을 액정 소자(들)에 인가하도록 적응된다. 그러한 센서는 조종 휠 각도 센서, 차량 속도용 센서, 도로 굴곡 센서, 방사 방향 힘 센서, 경사 센서, GPS 센서, 광 센서 및 기상 센서를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 전술한 바와 같은 센서, 또는 GPS 센서에 의해 제공되는 지시들을 갖는 관련 맵핑 시스템과 함께 차량 내에 존재하는 네비게이션 시스템을 이용하여 소정 거리의 도로에 나타나는 굴곡들을 미리 식별하고, 따라서 도로의 조명을 예상하는 것이 가능하다. 또한, 예를 들어, 경사 센서에 의해 생성되는 데이터를 이용하여, 광 빔이 다가오는 차량을 눈부시게 하게 할 수 있는 차량의 가속/감속을 보상할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 설명에 따른 적응성 정면 조명 시스템을 포함하는 차량이 제공된다. 그러한 차량은 예를 들어 자동차, 트럭, 모터사이클, 기차, 자전거 등일 수 있다. 본 발명의 추가 특징들 및 이점들은 첨부된 청구범위 및 아래의 설명으로부터 명백해질 것이다. 이 분야의 전문가들은 본 발명의 상이한 특징들을 결합하여 아래에 설명되는 것과 다른 실시예들을 이룰 수 있다는 것을 알 것이다.
이제, 본 발명의 이들 및 다른 양태들은 본 발명의 현재 바람직한 실시예들 을 나타내는 첨부 도면들을 참조하여 보다 상세히 설명된다.
도 1a-1c는 3개의 상이한 광 빔 패턴으로 도로를 조명하는 차를 나타내는 도면.
도 2a-2b는 본 발명의 실시예들에 따른 2개의 상이한 액정 소자의 구성을 나타내는 도면.
도 3a-3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액정 굴절 인덱스 경사(GRIN) 소자를 나타내는 도면.
도 4a-4b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이방성 산란 소자를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 현재 바람직한 실시예들에 따라 배열된 차량용 적응성 정면 조명 시스템의 블록도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 렌즈를 포함하는 램프 장치를 나타내는 도면.
이제, 도면, 특히 도 1a-1c를 참조하면, 도로(101)를 조명하는 차량(100)이 도시되어 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 차량(100)의 헤드라이트는 대로 광 빔 패턴(102)으로 도로(101)를 조명하도록 배열된다. 대로 광 빔 패턴(102)은 차량(100)으로 도로(101), 예를 들어 대로를 따라 비교적 높은 속도로 이동하고 있을 때 바람직하게 사용된다. 이 경우, 차량(100)의 헤드라이트로부터 방출되는 광의 광축은 본질적으로 도로(101)에 평행하다. 그러나, 크로스컨트리 환경으로 이동하고 있을 때에는, 차량(100)의 헤드라이트의 광축을 도로(101)를 향해 하향으로 기울여서 크로스컨트리 광 빔 패턴(103)을 얻는 것이 바람직하다. 크로스컨트리 광 빔 패턴(103)은 다가오는 차량의 눈부심을 방지하며, 중간 속도로 이동할 때 바람직하게 사용된다. 도 1c에서, 광 빔 패턴은 타운 조명 조건으로 적응되었다. 차량(100)의 헤드라이트의 광축은 더 하향으로 기울어졌으며, 방출 광은 또한 확대되어 타운 광 빔 패턴(104)이 얻어졌다. 타운 광 빔 패턴(104)은 비교적 느린 속도로 이동할 때 바람직하게 사용된다. 타운 광 빔 패턴(104)은 도로(101)의 갓길의 조명을 증가시켜, 예를 들어 도로(101)의 측면에서 이동하는 보행자 및 자전거 운전자에 대한 교통 안전을 향상시킬 것이다.
도 1a-1c에 도시된 모든 상이한 조명 패턴은 본 발명에 따라 광원, 및 액정 소자를 구비한 램프 장치를 포함하는 적응성 정면 조명 시스템(AFS)으로 달성될 수 있다.
도 2a는 수평 또는 수직 경사와 같은 광 방향의 변경을 도입할 수 있는 액정 소자(LC 소자)(200)의 일례를 나타낸다. LC 소자(200)는 예를 들어 도 1b 및 1c에 도시된 바와 같은 하향 경사 효과를 달성할 수 있다. LC 소자(200)는 유리 기판(201), 투명 전극(202), 배향층들(203, 204), 액정 재료(205), 여기서는 삼각 형상을 갖는 표면 양각 구조(206), 투명 전극(207) 및 유리 기판(208)을 포함한다. 제로 전압 신호 또는 비 제로 전압 신호가 투명 전극(202, 207)에 인가될 때, 전기장의 인가가 액정 분자들의 배향을 바꾸고, 광 빔은 굴절되지 않고 통과할 수 있거나 통과할 수 없다는 사실로 인해, 입사광(209)은 굴절되거나(210), 굴절되지 않는다(211). 양 편광 방향이 영향을 받을 필요가 있는 경우, 2개의 그러한 LC 소자(200)가 LC 소자들 내의 액정 분자들의 배향들이 서로 수직인 구조로 사용되는 것이 필요하다. 분자들의 배향은 동일하게 유지될 수 있다. 그러나, 그 경우에는 LC 소자들(200) 사이에 반파장 판이 삽입되는 것이 필요하다.
도 2b는 예를 들어 광 빔을 확대하는 것과 같이 광의 분포를 변경하기 위한 LC 소자(200')를 나타낸다. 확대 효과는 예를 들어 도 1c와 관련하여 전술한 바와 같이 사용된다. LC 소자(200')는 본질적으로 도 2a의 LC 소자(200)와 동일하다. 그러나, 도 2a의 배향층(204) 및 표면 양각 구조(206)가 배향층(204') 및 원통형 렌즈 구조(206')로 대체되었다. 이러한 배열은 입사광(209)을 도 2a와 유사한 방식으로 굴절시킬 가능성을 제공하지만, 여기서는 입사 광 빔(209)보다 넓은 광 빔(212)을 달성하도록 입사광(209)의 분포를 변경한다. 이러한 타입의 LC 소자(200')는 예를 들어 도 1c에 도시된 바와 같은 타운 광 빔 패턴(104)을 얻는 데 사용될 수 있다.
입사광의 방향 및/또는 분포를 변경하는 효과는 예를 들어 두 가지 상이한 방식으로 달성될 수 있다. 첫째, 예를 들어, 배향층(204/204')이 제로 전압 상태에서 액정 재료(205)의 굴절률들 중 하나와 거의 동일한 굴절률을 갖는 등방성 재료로부터 선택되는 경우, LC 소자(200/200')는 렌즈로서 동작할 것이다(즉, 제2 상태). 투명 전극들(202, 207) 양단에 전압의 인가시, 액정 재료(205)의 분자들은 재배향되고, 렌즈 효과는 사라진다(즉, 제1 상태).
둘째, 예를 들어, 구조(206/206')가 제로 전압 상태에서 액정 재료(205)의 굴절률과 거의 동일한 굴절률을 갖는 이방성 재료로부터 선택되는 경우, 렌즈 효과는 존재하지 않는다(즉, 제1 상태). 투명 전극들(202, 207) 양단에 전압의 인가시, 액정 재료(205)의 분자들은 재배향되고, LC 소자(200/200')는 렌즈로서 동작할 것이다(즉, 제2 상태).
도 2a-2b는 단일 LC 소자를 도시하지만, 대안으로 복수의 그러한 소자가 예를 들어 어레이로 사용될 수 있다. 도 2a-2b는 또한 2개의 특정 구조를 나타낸다. 그러나, 대안으로 다양한 단면(예를 들어, 삼각형, 곡선, 사각형 및 이들의 조합)을 갖는 다른 구조들을 사용하는 것이 가능하다.
도 3a-3b는 본 발명의 AFS의 램프 장치에 사용되는 LC 소자의 다른 예, 즉 액정 경사 굴절률(GRIN) 소자(300)의 단면도를 나타낸다. GRIN 소자(300)는 유리 기판들(303, 304) 상에 각각 배열된 패턴화된 상부 및 하부 전극들(301, 302)을 포함한다. 액정 재료(305)는 러빙된 폴리머 층들(306, 307) 사이에 배열되었다. 패턴화된 전극들(301, 302)을 포함하는 GRIN 소자(300)의 두 표면은 오버랩되도록 정렬되어 있다. 전극들(301, 302) 양단에 전압이 인가될 때, 전기장 라인들은 전극들이 없는 유리 기판들(303, 304)의 영역들 아래의 LC 재료(305)로 누설되어, 이들 영역에서 균일한 전기장 라인들을 발생시킨다. 결과적으로, LC 재료(305)의 LC 분자들은 전극들이 없는 이들 영역에서 가변 경사 배향 상태에 들어간다. 따라서, 전극을 포함하지 않는 영역에는 굴절률 경사가 형성된다. 예를 들어, 투명 전극들(301, 302)이 유리 기판들(303, 304)의 표면 상의 평행 라인들의 형태인 경우, LC 재료(305)에서 유발되는 경사 굴절률은 원통 렌즈의 기능을 가질 수 있다.
투명 전극들(301, 302) 사이에 전압이 인가되지 않을 때(도 3a), 액정 재료(305)의 분자들은 단일 축 방향으로 배향되어, GRIN 소자(300) 내에는 렌즈 효과가 존재하지 않으며, 입사광(309)은 변경 없이 GRIN 소자(300)를 통과하게 된다.
그러나, 투명 전극들(301, 302) 사이에 전압이 인가되는 경우(도 3b), 투명 전극들(301, 302) 사이의 영역에 굴절률 경사가 도입되어, 입사광(309)의 경로가 변경된다.
도 3c는 다른 변형의 GRIN 소자의 평면도이다. 이 변형에서, 전극들(310, 311)은 하나의 기판 또는 표면(303)에만 "평면 스위칭 구조(in-plane switching configuration)"로 배치된다. 전극들(310, 311)은 도 3c에 도시된 바와 같은 빗살 구조를 갖는다. 다른 기판 또는 표면 상에는 전극이 존재하지 않는다. 여기서, LC 재료의 LC 분자들의 초기 배향은 빗살 전극들(310, 311)에 수직이거나, 전극을 포함하는 유리 기판(303)에 수직이 되도록 선택될 수 있다. 분자들의 초기 배향은 배향층에 의해 유도될 수 있다. 그러한 층은 이 분야의 전문가들에게 공지되어 있다. 전기장 오프 상태에서, 소자는 투명하며, 가로지르는 광 빔은 영향을 받지 않는다. 그러나, 전기장의 인가는 전극들 사이에 곡선 전기장 라인들을 유도한다. 이 상태에서, LC 분자들의 배향에 다시 경사가 유발되어, 굴절률 경사가 형성된다.
GRIN 소자의 사용은 완전히 투명한 전극 커버리지를 갖는 소자들보다 높은 투명도를 갖는다는 점에서 특별한 이점을 갖는다. 패턴화된 구조들의 결과인 부분적으로 투명한 커버리지는 GRIN 소자들의 투명도의 향상을 가능하게 한다.
패턴화된 전극들은 면적당 메가오옴 범위의 매우 높은 표면 저항을 갖는 층으로 더 커버될 수 있다. 이 경우, 소자는 저항들과 직렬인 병렬 커패시터들을 이용하여 모델링될 수 있으며, 그에 따라 LC 배향 및 따라서 소자 양단 간의 굴절률 프로파일이 또한 전압의 크기만이 아니라 인가 전압의 주파수에 의해서도 조정될 수 있다.
도 3a-3c의 GRIN 소자(300)는 편광 종속적인 것으로 보여진다. 양 편광 방향이 영향을 받을 필요가 있는 경우, 2개의 그러한 GRIN 소자가 GRIN 소자들 내의 액정 분자들의 배향들이 서로 수직인 구조로 사용되는 것이 필요하다. 분자들의 배향은 양 GRIN 소자에서 동일하게 유지될 수 있다. 그러나, 이 경우에는 GRIN 소자들 사이에 반파장 판이 삽입되는 것이 필요하다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, LC 소자는 도 4a-4b에 도시된 바와 같은 스위칭 가능한 이방성 산란 액정 겔 재료를 포함한다. 도 4a는 임의의 전압 없이 투명한 재료(405)를 나타낸다. 즉, 기판들(401, 404) 상에 각각 존재하는 투명 전극들(403, 407)에 제로 전압 신호가 공급될 때, 입사광(409)은 산란되지 않는다. 반면, 충분히 높은 전압이 공급될 때, 재료(405)는 산란성을 갖게 되어(도 4b), LC 재료의 LC 분자들의 배향에 수직인 방향으로 광을 산란한다. 이러한 겔 재료(405)는 LC를 포함하는 반응성 분자들의 혼합물로부터 얻어질 수 있다. 혼합물은 소자 또는 셀 내로 제공되고, 배향층들(406, 402)에 의해 단일 축 배향이 유발된다. 겔은 배향 상태에서의 반응성 분자들의 폴리머화 후에 생성된다.
도 5는 본 발명의 다른 양태에 따른 차량(100)용 적응성 정면 조명 시스템(AFS)(500)의 블록도이다. AFS(500)는 광원(502), 예를 들어 LED, 및 제1 LC 소자(200)(도 2a에 도시된 것 등) 및 제2 LC 소자(200')(도 2b에 도시된 것 등)를 구비하는 램프 장치(501)를 포함한다. 도 5에 도시된 바와 같은 AFS(500)는 도 1에 도시된 바와 같은 광 빔 패턴들(102-104) 중 임의의 패턴으로 도로(101)를 조명할 수 있다. 도 5는 AFS(500)가 도 1c로부터의 타운 광 빔 패턴(104)으로 도로(101)를 조명하도록 배열된 사례를 나타낸다.
AFS(500)는 각각의 LC 소자들(200, 200')에 가변 전압을 공급하기 위한 2개의 드라이버 회로(504, 504')와 전기적으로 통하는 제어 장치(503)를 더 포함한다. 드라이버 회로(505)가 또한 광원(502)을 제어하기 위해 제어 장치(503)와 전기적으로 통한다. 제어 장치(503)는 주변 센서들, 예를 들어 경사 센서(506) 및/또는 조종 휠 각도 센서(507)로부터 제어 신호들을 수신하도록 적응된다. 이 분야의 전문가들은 차량의(100)의 속도용 센서, 도로 굴곡 센서, 방사상 힘 센서 및/또는 GPS 센서 시스템과 같은 다른 센서들이 대안으로 또는 추가적으로 제어 장치(503)에 접속될 수 있음을 알 것이다. 사용자 인터페이스(508)가 AFS(500)의 수동 제어를 위해 제어 장치(503)에 접속된다.
사용자 인터페이스(508)는 제어 장치(503)에 의해 수신될 신호 또는 전압을 생성하는 버튼들 및 조정 가능 제어들과 같은 사용자 입력 장치들을 포함할 수 있다. 전압은 하이 및 로우 디지털 상태에 대응하는 디지털 신호일 수 있다. 전압이 아날로그 전압의 형태인 경우, 전압을 사용 가능 디지털 형태로 변환하기 위해 아날로그/디지털(A/D) 변환기가 사용될 수 있다. 이어서, A/D로부터의 출력은 제어 장치(503)에 디지털 신호를 제공할 것이다. 제어 장치(503)는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 프로그래머블 디지털 신호 프로세서 또는 소정의 다른 프로그래머블 장치를 포함할 수 있다. 제어 장치(503)는 대안으로 또는 추가적으로 전용 집적 회로, 프로그래머블 어레이 로직을 갖춘 프로그래머블 게이트 어레이, 프로그래머블 로직 장치 또는 디지털 신호 프로세서를 포함할 수 있다. 제어 장치(503)가 전술한 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러와 같은 프로그래머블 장치를 포함하는 경우, 프로세서는 프로그래머블 장치의 동작을 제어하는 컴퓨터 실행 가능 코드를 더 포함할 수 있다.
동작 동안, 제어 장치(503)는 경사 센서(506) 및/또는 조종 휠 각도 센서(507)로부터 수신된 신호들 및/또는 도로 지도와 관련된 측위 정보로부터 도로(101)를 조명하는 데 사용될 적절한 광 빔 패턴들을 계산할 것이다. 이어서, 제어 장치(503)는 계산된 광 빔 패턴에 대응하는 구동 신호들을 드라이버 회로들(504, 504')의 각각에 제공할 것이며, 이어서 드라이버 회로들 각각은 도 2-4와 관련하여 전술한 바와 같이 제1 비굴절 상태와 제2 굴절 상태 사이에서 LC 소자들(200, 200')을 스위칭하기 위한 아날로그 구동 전류들을 LC 소자들(200, 200')에 제공할 것이다.
도 5에서 알 수 있듯이, 광원(500)은 제1 LC 소자(200) 상에 입사되는 광(509)을 방출하며, 이 소자는 순간적인 상태(이 경우에는 제2 또는 굴절 상태)에 따라 방출된 광(509)의 분포를 변경하여, 보다 넓은 광 빔(510)을 생성할 것이다. 이어서, 보다 넓은 광 빔(510)은 제2 LC 소자(200') 상에 입사하며, 이 소자는 순간적인 상태(이 경우에는 제2 또는 굴절 상태)에 따라 보다 넓은 광 빔(510)의 방향을 변경하여, 보다 넓고 경사진 광 빔(511)을 생성할 것이다. 보다 넓고 경사진 광 빔(511)은 도 1c의 타운 광 빔 패턴(104)으로 도로(101)를 조명하기 위해 이롭게 사용된다. 이 분야의 전문가들이 쉽게 이해하듯이, 본 발명에 따른 AFS(500)를 이용하여 도 1a-1c에 도시된 모든 광 빔 패턴을 생성하는 것이 가능하다. 또한, 조정 휠 각도 센서(507)에 의해 제공되는 제어 정보 및/또는 도로 지도와 관련된 측위 정보의 사용, 상이한 LC 소자(200) 및 공지된 예측 알고리즘들은 광 빔들의 광축을 예를 들어 수평 방향으로 변경하는 것을 가능하게 하여, 예를 들어 꼬불꼬불한 도로 상에서 운전할 때 도로 방향으로 도로 조명을 제공한다.
예를 들어 위의 도 5에서 설명된 바와 같은 램프 장치는 투사 렌즈를 더 포함할 수 있으며, 도로 상에 투사될 빔 형상은 투사 렌즈의 초점에 배치된 개구(특정 형상의 개구)로부터 도출된다. 이러한 램프 장치의 일례가 도 6에 도시되어 있으며, 여기서 광원은 빔 쉐이퍼(602)를 구비한 단일 LED 모듈(601)이며, 광 스위칭 소자(604)의 하류에 투사 렌즈(603)가 배치된다. 광 스위칭 소자(604)는 도 2-4와 관련하여 전술한 임의 타입의 LC 소자를 포함할 수 있다. 또한, 투사 렌즈는 광 스위칭 소자에 근접 배치되어야 한다. 바람직하게는, 광 스위칭 소자는 도 6에 도시된 바와 같이 투사 렌즈의 편평면과 광학적으로 접촉한다. 램프 장치 및 광원은 예를 들어 광 패턴(600)을 생성하는 데 사용될 수 있다.
이 분야의 전문가들은 본 발명이 전술한 바람직한 실시예들로 결코 제한되지 않음을 알 것이다. 반대로, 첨부된 청구범위의 범위 내에서 많은 변경 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 본 발명에 따른 AFS를 갖춘 2개의 헤드라이트를 구비하는 차량에서, 각각의 헤드라이트는 서로 독립적으로 기능하도록 적응될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 기능을 갖는 후미등을 제공하는 것도 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 차량(100)용 적응성 정면 조명 시스템(500; adaptive front lighting system)을 위한 램프 장치(501)로서,
    광원(502)에 의해 방출되는 광을 수광하도록 배치된 제1 액정 소자(200/200')를 포함하고,
    상기 제1 액정 소자(200/200')는 입사 광(incoming light)을 굴절시키지 않고 상기 입사 광을 투과하도록 구성된 제1 상태, 및 상기 입사 광이 상기 액정 소자(200/200')를 통과할 때 상기 입사 광을 굴절시키도록 구성된 제2 상태를 가지며, 상기 적응성 정면 조명 시스템(500)으로부터 수신되는 신호에 따라 제어되고,
    상기 램프 장치(501)는 상기 제1 액정 소자(200/200')에 의해 방출된 광을 수광하도록 배치된 적어도 제2 액정 소자(200/200')를 더 포함하고,
    상기 제2 상태에서 상기 제1 액정 소자(200/200')와 상기 제2 액정 소자(200/200') 중 하나의 액정 소자는, 상기 입사 광이 상기 하나의 액정 소자(200)를 통과할 때 상기 입사 광의 방향을 변경하도록 구성되어 있고,
    상기 제2 상태에서 상기 제1 액정 소자(200/200')와 상기 제2 액정 소자(200/200') 중 나머지 하나의 액정 소자(200')는, 상기 입사 광이 상기 나머지 하나의 액정 소자를 통과할 때 상기 입사 광의 분포를 변경하도록 구성되어 있는 램프 장치(501).
  2. 제1항에 있어서, 상기 액정 소자(200')는 표면 양각 구조(206, 206'; surface relief structure)를 포함하는 램프 장치(501).
  3. 제2항에 있어서, 상기 표면 양각 구조는 삼각형, 사각형, 원형 및 타원형 단면들 중 적어도 하나를 갖는 선형 격자 구조를 포함하는 램프 장치(501).
  4. 제1항에 있어서, 상기 액정 소자는 이방성 산란 소자인 램프 장치(501).
  5. 제1항에 있어서, 상기 액정 소자는 GRIN 광학 소자이고, 상기 GRIN 광학 소자는 제1 및 제2 표면을 갖는 램프 장치(501).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액정 소자(200/200')는 상기 액정 소자(200/200')의 상태를 스위칭하기 위한 전압을 수신하도록 구성된 적어도 2개의 전극(207/202)을 포함하는 램프 장치(501).
  7. 제5항에 있어서,
    상기 액정 소자(200/200')는 상기 액정 소자(200/200')의 상태를 스위칭하기 위한 전압을 수신하도록 구성된 적어도 2개의 전극(207/202)을 포함하며,
    상기 GRIN 광학 소자는 상기 소자 양단에 전기장을 인가하기 위해 상기 소자의 양 표면들 상에 선형 전극들을 포함하는 램프 장치(501).
  8. 제5항에 있어서,
    상기 액정 소자(200/200')는 상기 액정 소자(200/200')의 상태를 스위칭하기 위한 전압을 수신하도록 구성된 적어도 2개의 전극(207/202)을 포함하며,
    상기 GRIN 광학 소자는 상기 소자 양단에 전기장을 인가하기 위해 상기 소자의 표면들 중 적어도 하나 상에 맞물린 빗살 전극(interdigitated comb electrode)들을 포함하는 램프 장치(501).
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원(502)은 적어도 하나의 LED, 무기 LED, 고강도 방전 램프 및 플라즈마 램프 중 하나를 포함하는 램프 장치(501).
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액정 소자와 직접 광학 접촉하도록 배열되는 투사 렌즈를 더 포함하는 램프 장치(501).
  11. 차량(100)용 적응성 정면 조명 시스템(500)으로서,
    제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 램프 장치(501); 및
    상기 액정 소자 또는 소자들(200/200')에 스위칭 전압을 인가하도록 구성된 제어 장치(503)
    를 포함하는 적응성 정면 조명 시스템(500).
  12. 제11항에 있어서, 상기 차량(100)의 상태를 지시하는 신호를 제공하기 위한 센서(506/507/508)를 더 포함하고, 상기 제어 장치(503)는 상기 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호에 따라 상기 액정 소자(들)(200/200')에 상기 스위칭 전압을 인가하도록 더 구성된 적응성 정면 조명 시스템(500).
  13. 제12항에 있어서, 상기 센서(506/507/508)는 조종 휠 각도 센서, 상기 차량의 속도 센서, 도로 굴곡 센서, 방사상 힘 센서, 경사 센서, GPS 센서, 광 센서 및 기상 센서를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적응성 정면 조명 시스템(500).
  14. 제11항에 따른 적응성 정면 조명 시스템(500)을 포함하는 차량(100).
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