KR101620193B1 - 헤드램프용 레이저 광학계 - Google Patents

헤드램프용 레이저 광학계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 헤드램프용 레이저 광학계에 관한 것으로, 레이저 다이오드(10)에서 출력된 레이저 빔이 형광체필름(40)에 여기된 후 백색광이 직접 비구면렌즈(50)를 통해 전방으로 출력되도록 된 것이다.

Description

헤드램프용 레이저 광학계{LASER OPTICAL SYSTEM FOR HEAD LAMP}
본 발명은 헤드램프용 레이저 광학계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광손실의 최소화를 통해 광효율을 증대시킴과 더불어 광학계의 사이즈 축소를 통해 디자인 자유도를 높일 수 있는 헤드램프용 레이저 광학계에 관한 기술이다.
차량의 헤드램프(전조등)는 운전자의 전방 시계확보를 위해 전방을 조명하는 램프로서, 보통 할로겐, HID(High intensity discharge), LED 다이오드를 광원으로 사용하고 있다.
그런데, 할로겐, HID, LED 다이오드 등은 소비전력이 높기 때문에 광효율이 낮은 단점이 있고, 특히 광원과 렌즈를 포함한 광학계 전체의 사이즈가 커서 디자인 자유도가 낮고 중량이 무거운 단점이 있다.
최근에는 친환경적이면서 수명이 길고 또한 광효율이 높은 레이저 다이오드를 광원으로 사용하는 헤드램프의 개발이 증가하고 있는 추세이다.
종래의 헤드램프용 레이저 광학계는 도 1에 도시된 바와 같이 블루(blue) 파장대의 레이저 빔을 생성하는 레이저 다이오드(1), 상기 레이저 다이오드(1)에서 출력된 빛과 반응하여 백색광을 출력하는 옐로우(yellow) 형광체(2), 상기 형광체(2)에서 출력된 백색광을 전방으로 반사시키는 반사체(3), 상기 반사체(3)의 전방에 위치한 것으로 상기 반사체(3)를 통해 반사된 백색광을 집광 및 확산해서 전방으로 조사하는 비구면렌즈(4), 로우빔의 구현을 위해 상기 반사체(3)와 비구면렌즈(4)사이에 위치하는 쉴드(5)를 포함하는 구성으로 되어 있다.
그런데, 상기와 같은 종래의 레이저 광학계는 레이저 다이오드(1)에서 출력된 빛이 형광체(2)로 입사되어서 여기된 후 반사체(3)의 반사에 의해 비구면렌즈(4)가 있는 전방으로 출력되는 구성으로, 상기 반사체(3)의 전방은 백색광의 출사를 위해 개구되어 있는 바, 이로 인해 레이저 다이오드(1)에서 출력된 빛이 형광체(2)에 여기된 후 반사체(3)의 밖으로 출사되는 광손실 구간(A1)이 발생함에 따라 전체적으로 광학계의 광손실이 커지고 광효율이 감소하는 단점이 있다.
즉, 종래의 구조는 백색광의 전방 출사를 위해 반사체(3)를 사용한 구성으로, 상기 반사체(3)를 사용하게 되면 반사체(3)의 밖으로 백색광이 출사되는 광손실 구간(A1)이 발생하게 됨으로써 전체적으로 광학계의 광손실이 커지고 광효율이 감소하는 단점이 있었던 것이다.
또한, 부피가 큰 반사체(3)를 사용함에 따라 중량이 무거워지고, 광학계의 사이즈가 커지게 됨에 따라 디자인 자유도가 불리하며, 더 나아가 원가가 상승하는 단점도 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
일본 공개특허공보 2009-224053호
이에 본 발명은 상기한 바의 단점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 빔이 형광체에 여기된 후 직접 비구면렌즈로 출사되는 구성을 갖도록 함으로써, 종래와 같은 반사체를 사용하지 않음에 따라 반사체 사용에 따른 광손실 구간을 없앨 수 있도록 하고, 이를 통해 광손실의 최소화 및 광효율 향상을 도모할 수 있도록 하며, 특히 광학계의 사이즈 축소를 도모해서 중량감소와 원가절감 및 디자인 자유도를 높일 수 있는 헤드램프용 레이저 광학계를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명 헤드램프용 레이저 광학계는, 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드로부터 출력된 빔을 확산시킴과 더불어 빔의 폭과 높이를 원하는 형상으로 특정할 수 있도록 표면에 마이크로패턴이 형성된 패턴필름; 상기 패턴필름을 통해 확산된 레이저 빔이 통과하도록 필름홀이 형성된 반사필름; 상기 반사필름을 통과한 레이저 빔과 반응하여 백색광을 출력하는 것으로 필름형태로 형성된 형광체필름; 및 상기 형광체필름을 투과한 백색광을 집광해서 전방으로 조사하는 비구면렌즈를 포함하고; 상기 레이저 다이오드에서부터 상기 비구면렌즈까지 일렬로 배치된 것을 특징으로 한다.
상기 패턴필름과 상기 반사필름이 서로 대면하도록 결합되는 후방홀더; 상기 반사필름의 전방에 상기 형광체필름이 위치하도록 상기 형광체필름이 결합되는 전방홀더; 및 상기 후방홀더와 전방홀더를 연결하는 다수개의 홀더브라켓;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 형광체필름과 대면하는 상기 반사필름의 전면에 결합된 것으로 상기 형광체필름에 여기되지 못하고 후방으로 산란되는 레이저 빔을 다시 전방으로 되반사시켜서 광효율을 향상시키는 반사코팅;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로패턴은 로우빔의 구현을 위해 타원모양 돌기로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로패턴은 하이빔의 구현을 위해 정원모양 돌기로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 필름홀은 상기 마이크로패턴의 형상과 동일한 모양으로 형성된 것을 특징으로 한다.
로우빔을 구현하는 경우 상기 형광체필름과 대면하도록 상기 전방홀더에 결합되는 것으로 컷오프라인이 형성된 쉴드;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 반사코팅은 상기 레이저 다이오드의 비점등시에 증착에 의한 히든(hidden)효과를 구현할 수 있도록 은색으로 된 은반사코팅인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 빔이 형광체필름에 여기된 후 백색광이 직접 비구면렌즈를 통해 전방으로 출력되는 구성으로, 이를 통해 광학계의 광손실을 최소화시킬 수 있게 됨으로써 광효율의 증대를 도모할 수 있게 되고, 광학계의 사이즈 축소를 통해 중량감소 및 원가절감을 도모할 수 있으며, 더 나아가 디자인 자유도를 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 헤드램프용 레이저 광학계를 설명하기 위한 도면,
도 2 내지 도 3은 본 발명에 따른 헤드램프용 레이저 광학계의 결합상태 사시도 및 분해 사시도,
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 마이크로패턴을 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 반사필름 및 반사코팅을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 헤드램프용 레이저 광학계에 대해 살펴보기로 한다.
본 발명에 따른 헤드램프용 레이저 광학계는 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이 블루(blue) 파장(보통 450nm대의 단파장)대의 레이저 빔(L1)을 생성하는 레이저 다이오드(10); 상기 레이저 다이오드(10)로부터 출력된 빔(L1)을 확산시킴과 더불어 빔의 폭과 높이를 원하는 형상으로 특정할 수 있도록 표면에 마이크로패턴(21)이 형성된 패턴필름(20); 상기 패턴필름(20)을 통해 확산된 레이저 빔(L2)이 통과하도록 필름홀(31)이 형성된 반사필름(30); 상기 반사필름(30)을 통과한 레이저 빔과 반응하여 백색광(L3)을 출력하는 것으로 필름형태로 형성된 형광체필름(40); 및 상기 형광체필름(40)을 투과한 백색광을 집광해서 전방으로 조사하는 비구면렌즈(50)를 포함하고; 상기 레이저 다이오드(10)에서부터 상기 비구면렌즈(50)까지 일렬로 배치된 구조가 특징이다.
여기서, 상기 패턴필름(20)과 반사필름(30) 및 형광체필름(40)은 홀더를 매개로 고정되게 설치되고, 상기홀더는 광학계를 이루는 하우징에 고정되게 설치되는 바, 상기 홀더는 패턴필름(20)과 반사필름(30)이 서로 대면하도록 결합되는 후방홀더(60); 상기 반사필름(30)의 전방에 상기 형광체필름이 위치하도록 상기 형광체필름(40)이 결합되는 전방홀더(70); 및 상기 후방홀더(60)와 전방홀더(70)를 연결하는 다수개의 홀더브라켓(80)으로 구성된다.
또한, 본 발명은 상기 형광체필름(40)과 대면하는 반사필름(30)의 전면에 결합된 것으로 상기 레이저 다이오드(10)의 점등시에 형광체필름(40)에 여기되지 못하고 후방으로 산란되는 레이저 빔을 다시 전방으로 되반사시켜서 광효율을 향상시키는 반사코팅(90)을 더 포함한다.(도 7의 L4)
즉, 레이저 다이오드(10)에서 출력된 빔(L1)은 패턴필름(20)을 통과하면서 특정모양으로 확산된 빔(L2)이 되고, 확산된 빔(L2)은 반사필름(30)의 필름홀(31)을 통과한 후 대부분이 형광체필름(40)에 여기되어 백색광(L3)을 출력하게 된다.
하지만, 일부의 확산 빔(L2)은 형광체필름(40)에 여기되지 못하고 반사필름(30)이 있는 후방으로 산란되는 현상이 발생하게 되는 바, 본 발명에 따른 반사코팅(90)은 후방으로 산란되는 레이저 빔을 다시 형광체필름(40)으로 되반사시키는 역할을 하는 것으로, 이를 통해 후방으로 산란되는 빔에 의한 광손실을 크게 줄일 수 있게 됨으로써, 추가적으로 광량 확보가 가능해짐에 따라 전체적인 헤드램프의 광효율을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 반사코팅(90)은 레이저 다이오드(10)의 비점등시에 증착에 의한 히든(hidden)효과를 구현함으로써 램프의 고급감을 구현하는 데에 큰 도움을 줄 수 있는 것이 바람직한 바, 이의 실현을 위해 상기 반사코팅(90)은 은반사코팅인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 마이크로패턴(21)은 로우빔의 구현시에는 도 5와 같이 좌우로 긴 모양인 타원모양 돌기(21a)로 형성되거나 또는 하이빔의 구현시에는 도 6과 같이 정원모양 돌기(21b)로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 반사필름(30)에 형성된 필름홀(31)은 상기 마이크로패턴(21)의 패턴형상과 동일한 모양으로 형성된 것이 바람직한 바, 이를 통해 특정모양의 빔패턴을 형성할 수 있게 되는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 광학계를 이용해서 로우빔을 구현하고자 하는 경우에는 컷오프라인(101)이 형성된 쉴드(100)를 더 포함하게 되는 바, 상기 쉴드(100)는 형광체필름(40)과 대면하도록 전방홀더(70)의 전면부에 일체로 결합된다.
그러나, 본 발명에 따른 광학계를 이용해서 하이빔을 구현하는 경우 상기 쉴드(100)는 적용하지 않는 것을 원칙으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 헤드램프용 레이저 광학계는 도면으로 도시되지는 않았지만 상기 레이저 다이오드(10)로의 전류공급을 제어하는 PCB기판; 상기 레이저 다이오드(10)와 상기 형광체필림(40)에서 발생한 열을 외부로 전달해서 방열하는 히트싱크;등을 더 포함해서 구성된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 헤드램프용 레이저 광학계는, 레이저 다이오드(10)에서 출력된 레이저 빔이 형광체필름(40)에 여기된 후 백색광이 직접 비구면렌즈(50)를 통해 전방으로 출력되는 구성으로, 종래와 같은 반사체를 사용하지 않음에 따라 반사체 사용에 따른 광손실 구간을 없앨 수 있게 되고, 이를 통해 광손실의 최소화 및 광효율의 향상을 도모할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 종래와 같은 반사체를 사용하지 않는 구성이면서 모든 구성요소들이 일렬로 배치된 구성으로, 이를 통해 광학계의 사이즈 축소가 가능해지고, 중량감소와 원가절감 및 디자인 자유도를 높일 수 있는 장점도 있다.
또한, 본 발명은 형광체필름(40)에 여기되지 못하고 후방으로 산란되는 일부의 레이저 빔이 반사코팅(90)에 의해 다시 형광체필름(40)으로 되반사되어서 형광체필름(40)에 의해 여기된 후 백색광으로 출력되는 바, 이를 통해 후방으로 산란되는 빔에 의한 광손실을 크게 줄일 수 있게 됨으로써 추가적으로 광량 확보가 가능해지고, 이 결과 전체적인 헤드램프의 광효율을 크게 향상시킬 수 있는 장점도 있다.
또한, 본 발명에 따른 반사코팅(90)은 레이저 다이오드(10)의 비점등시에 증착에 의한 히든(hidden)효과를 구현함으로써 헤드램프의 고급감을 구현하는 데에 큰 도움을 줄 수 있는 장점도 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 - 레이저 다이오드 20 - 패턴필름
30 - 반사필름 40 - 형광체필름
50 - 비구면렌즈 60 - 후방홀더
70 - 전방홀더 80 - 홀더브라켓
90 - 반사코팅 100 - 쉴드

Claims (8)

  1. 레이저 다이오드;
    상기 레이저 다이오드로부터 출력된 빔을 확산시킴과 더불어 빔의 폭과 높이를 원하는 형상으로 특정할 수 있도록 표면에 마이크로패턴이 형성된 패턴필름;
    상기 패턴필름을 통해 확산된 레이저 빔이 통과하도록 필름홀이 형성된 반사필름;
    상기 반사필름을 통과한 레이저 빔과 반응하여 백색광을 출력하는 것으로 필름형태로 형성된 형광체필름; 및
    상기 형광체필름을 투과한 백색광을 집광해서 전방으로 조사하는 비구면렌즈를 포함하고;
    상기 레이저 다이오드에서부터 상기 비구면렌즈까지 일렬로 배치된 것을 특징으로 하는 헤드램프용 레이저 광학계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴필름과 상기 반사필름이 서로 대면하도록 결합되는 후방홀더;
    상기 반사필름의 전방에 상기 형광체필름이 위치하도록 상기 형광체필름이 결합되는 전방홀더; 및
    상기 후방홀더와 전방홀더를 연결하는 다수개의 홀더브라켓;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드램프용 레이저 광학계.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 형광체필름과 대면하는 상기 반사필름의 전면에 결합된 것으로 상기 형광체필름에 여기되지 못하고 후방으로 산란되는 레이저 빔을 다시 전방으로 되반사시켜서 광효율을 향상시키는 반사코팅;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드램프용 레이저 광학계.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 마이크로패턴은 로우빔의 구현을 위해 타원모양 돌기로 형성된 것을 특징으로 하는 헤드램프용 레이저 광학계.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 마이크로패턴은 하이빔의 구현을 위해 정원모양 돌기로 형성된 것을 특징으로 하는 헤드램프용 레이저 광학계.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 필름홀은 상기 마이크로패턴의 형상과 동일한 모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 헤드램프용 레이저 광학계.
  7. 청구항 2에 있어서,
    로우빔을 구현하는 경우 상기 형광체필름과 대면하도록 상기 전방홀더에 결합되는 것으로 컷오프라인이 형성된 쉴드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드램프용 레이저 광학계.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 반사코팅은 상기 레이저 다이오드의 비점등시에 증착에 의한 히든(hidden)효과를 구현할 수 있도록 은색으로 된 은반사코팅인 것을 특징으로 하는 헤드램프용 레이저 광학계.
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