KR101795253B1 - 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계와 이를 적용한 프로젝션 헤드램프 및 차량 - Google Patents

이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계와 이를 적용한 프로젝션 헤드램프 및 차량 Download PDF

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Abstract

본 발명의 프로젝션 헤드램프(1)는 전구(10)에서 발생된 빛이 위쪽을 향하는 상방향 경로로 반사되는 하부 반사 빛과 아래쪽을 향하는 하방향 경로로 반사되는 상부 반사 빛으로 동시에 형성되는 반사경(20), 상부 반사 빛이 하방향 경로를 상방향 경로로 변경된 프리즘 로우 빔으로 출사되는 프리즘 렌즈(70), 하부 반사 빛에 프리즘 로우 빔을 더해 로우 빔으로 조사하는 비구면 렌즈(50)로 구성된 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계(9)를 포함하고, 차량의 헤드램프로 적용되어 동작 시 기존에 실드 차단으로 사용되지 못하던 빛을 프리즘 렌즈(70)가 로우 빔과 하이 빔 광량으로 사용함으로써 빛 에너지 사용 효율을 크게 높이고, 특히 실제적으로 개선되기 어려운 투과인자와 차단인자 및 반사인자의 개선 없이도 프로젝션 헤드램프(1)의 광 효율이 크게 높아지는 특징을 갖는다.

Description

이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계와 이를 적용한 프로젝션 헤드램프 및 차량{Dual Light Path Forming type Projection Head Lamp and Vehicle thereof}
본 발명은 프로젝션 헤드램프에 관한 것으로, 특히 실드(shield)의 차단에 의해 버려지던 빛을 광 조사에 사용할 수 있는 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계와 이를 적용한 프로젝션 헤드램프 및 차량에 관한 것이다.
일반적으로 차량용 헤드램프(Head Lamp)는 얇은 두께의 반구 형상 반사경의 중앙에 설치된 전구(Bulb)를 광원으로 사용하고, 광원 조사 방향을 운전자의 스위치 조작으로 상향등(이하 하이 빔)과 하향등(이하 로우 빔)의 상태로 조절하도록 구성된다.
상기 헤드램프 중 프로젝션 헤드램프(Projection Head Lamp)는 램프자체를 유닛화 한 프로젝션 광학계가 적용된다.
일례로, 상기 프로젝션 헤드램프는 전구, 전구의 필라멘트(filament)를 제1초점으로 하여 빛이 반사되는 타원 반사면을 형성한 반사경, 실드로 빛의 일부를 차단하면서 제2초점을 형성하는 프로젝션 홀더, 빛을 투과하는 비구면 렌즈, 빛을 투과하여 노면으로 비춰주는 램프 렌즈(또는 outer lens)로 구성된다. 여기서, 상기 전구, 상기 반사경, 상기 프로젝션 홀더, 상기 비구면 렌즈는 프로젝션 광학계로 칭하며, 특히 상기 실드는 반사경의 상부 부위 쪽 광원 차단을 위한 컷오프(cut-off)로 광원을 로우 빔 영역으로 조사하도록 규정한 법규 충족을 위한 필수 구성요소이다.
그러므로 상기 프로젝션 헤드램프는 반사경의 타원 반사면의 제1초점면에 위치한 광원에서 발생한 빛이 타원 반사면에서 반사되고, 반사된 빛은 제2초점을 지나 비구면 렌즈로 투과되며, 비구면 렌즈를 투과한 빛이 램프 렌즈를 통해 전방의 노면으로 조사한다.
국내특허공개공보 10-2002-0088913(2002년11월29일)
하지만 상기 프로젝션 헤드램프에 적용된 프로젝션 광학계는 낮은 광 효율로 구현됨으로써 많은 빛이 사용되지 못하고 있다.
낮은 광 효율은 프로젝션 광학계 효율의 산출 식으로부터 알 수 있다
프로젝션 광학계 효울(%) = 램프 렌즈 투과율 x 비구면 렌즈 투과율 x 실드 효율 x 반사경 반사율 x (반사경 유효 입체각/광원 유효 입체각)
여기서 렌즈 투과율은 투과인자, 실드 효율은 차단인자, 반사경 반사율은 반사인자로 칭한다.
일례로, 전구의 광원 유효 입체각이 12.56sr(steradian)이고, 반사경의 반사경 유효 입체각이 9.93(steradian)이며, 반사경 반사율이 85%이고, 실드 효율이 60%이며, 비구면 렌즈 투과율이 85%이고, 램프 렌즈 투과율이 88%로 가정하면, 프로젝션 광학계 효울(%)은 하기와 같다.
0.3016 = 0.88 v 0.85 x 0.6 x 0.85 x (9.93/12.56)
이로부터 30.2%의 낮은 광 효율을 높이려면 투과인자와 차단인자 및 반사인자를 모두 개선하거나 또는 각각을 개선하여야 함을 알 수 있으나, 투과율과 반사율의 개선은 기술적으로 매우 어렵고, 또한 실드는 반사경에서 반사되어 아래쪽으로 향하는 상부 반사 빛을 차단하여 법규를 충족함으로써 상기 상부 반사 빛을 차단시키지 않고 실드 효율을 개선함은 법규 제약으로 어려울 수밖에 없다.
그 결과 30.2%의 낮은 광 효율을 갖는 프로젝션 광학계가 프로젝션 헤드램프로 적용된 차량은 로우 빔 광량이 낮을 수밖에 없고, 저 광량의 로우 빔은 보다 밝은 전방 시야를 필요로 하는 야간 운전자의 요구 충족을 어렵게 한다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 편각 프리즘 렌즈에 의한 빛 경로 전환으로 반사경의 상하부 반사 빛을 빔 조사에 이용함으로써 실제적으로 개선되기 어려운 투과인자와 차단인자 및 반사인자의 개선 없이도 프로젝션 광학계의 광 효율을 크게 높이고, 특히 실드 적용 시 차단되어 사용하지 못하던 반사경의 상부 반사 빛을 이용하여 로우 빔과 하이 빔 광량에 더해줌으로써 고 광량의 로우 빔과 하이 빔으로 야간 전방시야를 보다 밝게 제공하는 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계와 이를 적용한 프로젝션 헤드램프 및 차량의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계는 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; 를 포함한 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 하부 반사 빛의 경로는 상기 프리즘 로우 빔의 경로와 상기 프리즘 하이 빔의 경로보다 위쪽에서 형성되며, 상기 프리즘 렌즈의 회전은 상기 입사각 변화를 발생시킨다.
바람직한 실시예로서, 상기 프리즘 렌즈는 상기 입사각을 형성한 광원 입사면, 상기 출사각을 형성한 광원 출사면, 상기 광원 출사면에 대향되는 광원 반사면, 상기 광원 입사면에 대향되는 프리즘 형성면으로 구분되며, 상기 광원 입사면과 상기 광원 출사면은 90도로 직교된다.
바람직한 실시예로서, 상기 비구면 렌즈와 상기 프리즘 렌즈의 사이에는 상기 비구면 렌즈를 향하는 상기 하부 반사 빛의 경로를 벗어난 위치에서 상기 비구면 렌즈쪽으로 보정 렌즈가 위치되고, 상기 보정 렌즈에서 상기 프리즘 로우 빔과 상기 프리즘 하이 빔의 각각에 대한 보정이 이루어진다.
바람직한 실시예로서, 상기 반사경은 상기 하부 반사 빛과 상기 상부 반사 빛을 각각 반사하는 반사면을 형성한 깔때기 형상으로 이루어지고, 상기 반사면은 타원 형상으로 이루어진다.
바람직한 실시예로서, 상기 반사경과 상기 비구면 렌즈는 프로젝션 홀더로 연결되고, 상기 프리즘 렌즈는 상기 프로젝션 홀더의 내부 공간에 위치되며, 상기 프로젝션 홀더에는 시팅 림(sitting rim)이 결합되고, 상기 시팅 림은 상기 프로젝션 홀더와 상기 비구면 렌즈의 조립 상태를 유지시켜준다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 프로젝션 헤드램프는 전구에서 발생된 빛의 경로를 하부 반사 빛과 상부 반사 빛으로 동시에 형성시켜주는 반사경, 입사각 변화로 상기 상부 반사 빛을 프리즘 로우 빔과 프리즘 하이 빔으로 변경시켜주는 프리즘 렌즈, 상기 하부 반사 빛에 상기 프리즘 로우 빔이 더해진 로우 빔과 상기 하부 반사 빛에 상기 프리즘 하이 빔이 더해진 하이 빔을 발생시키는 비구면 렌즈, 상기 프리즘 렌즈를 내부 공간에 위치시킨 상태에서 상기 반사경과 상기 비구면 렌즈를 연결하는 프로젝션 홀더, 상기 비구면 렌즈에 위치되어 상기 프리즘 로우 빔과 상기 프리즘 하이 빔의 각각에 대한 보정이 이루어지는 보정 렌즈, 상기 비구면 렌즈가 위치된 상기 프로젝션 홀더에 결합되는 시팅 림(sitting rim)을 갖춘 프로젝션 광학계; 상기 프로젝션 광학계에서 나온 로우 빔과 하이 빔을 각각 전방으로 조사하는 램프 렌즈; 상기 램프 렌즈가 결합된 램프 하우징이 포함된 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 프로젝션 헤드램프에는 상기 프로젝션 광학계의 전원 공급과 제어신호 입력이 이루어지도록 상기 램프 하우징에 구비된 단자 커넥터, 상기 프로젝션 광학계의 로우 빔과 하이 빔을 선택하도록 상기 램프 하우징에 구비된 렌즈 액추에이터가 더 포함된다.
바람직한 실시예로서, 상기 프로젝션 헤드램프에는 상기 프로젝션 광학계의 하이 빔에 암영대를 형성해주는 ADB(Adaptive Driving Beam) 실드가 더 포함된다.
그리고 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 차량은 전구에서 발생된 빛의 경로를 하부 반사 빛과 상부 반사 빛으로 동시에 형성시켜주는 반사경, 입사각 변화로 상기 상부 반사 빛을 프리즘 로우 빔과 프리즘 하이 빔으로 변경시켜주는 프리즘 렌즈, 상기 하부 반사 빛에 상기 프리즘 로우 빔이 더해진 로우 빔과 상기 하부 반사 빛에 상기 프리즘 하이 빔이 더해진 하이 빔을 발생시키는 비구면 렌즈, 상기 프리즘 렌즈를 내부 공간에 위치시킨 상태에서 상기 반사경과 상기 비구면 렌즈를 연결하는 프로젝션 홀더, 상기 비구면 렌즈에 위치되어 상기 프리즘 로우 빔과 상기 프리즘 하이 빔의 각각에 대한 보정이 이루어지는 보정 렌즈, 상기 비구면 렌즈가 위치된 상기 프로젝션 홀더에 결합되는 시팅 림(sitting rim)을 갖춘 프로젝션 광학계로 구성된 프로젝션 헤드램프를 포함하고, 상기 프로젝션 헤드램프가 좌우 양쪽으로 전조등으로 적용된 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 프로젝션 헤드램프에는 ADB(Adaptive Driving Beam) 실드가 포함되고, 상기 ADB 실드는 상기 프로젝션 광학계의 하이 빔에 암영대를 형성해준다.
이러한 본 발명의 프로젝션 헤드램프는 프로젝션 광원계가 내부에서 이중 광 경로를 형성함으로써 다음과 같은 장점 및 효과를 구현한다.
첫째, 프리즘 렌즈에 의한 빛 경로 변경으로 실드 적용시와 같은 동일한 효과로 프로젝션 헤드램프의 법규를 충족 하면서도 광원 이용 율이 크게 높아진다. 둘째, 실드 적용 시 차단되어 버려지던 반사경의 상부 반사 빛아 프리즘 렌즈의 작용으로 로우 빔과 하이 빔 광량에 더해짐으로써 프로젝션 헤드램프의 광 효율이 크게 개선된다. 셋째, 프리즘 렌즈의 적용으로 투과인자와 차단인자 및 반사인자 등과 같이 개선을 위한 기술적 접근의 어려움 없이 프로젝션 헤드램프의 성능을 개선할 수 있다. 넷째, 프리즘 렌즈의 광 경로가 기존의 로우 빔 경로에 더해져 이중 광 경로를 형성함으로써 로우 빔 성능이 기존 대비 약 45% 향상된다. 다섯째, 프리즘 렌즈의 빛 경로 변경만으로 프로젝션 헤드램프의 하이 빔 및 로우 빔 영역 전환이 이루어짐으로써 바이 펑션(bi-function) 기능을 확대할 수 있다. 여섯째, 프리즘 렌즈에 편향 보정렌즈를 연계시킴으로써 프리즘으로 인한 빛의 색도분리 및 의도치 않은 빛의 각도보정이 용이하게 구현된다. 일곱째, 프리즘 렌즈에 ADB(Adaptive Driving Beam)기능 프리즘 실드를 연계시킴으로써 ADB 기능 컷오프(cut-off) 생성도 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계의 내부 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 프로젝션 광학계에 적용된 반사경의 예이고, 도 3은 본 발명에 따른 프로젝션 광학계에 적용된 프리즘 렌즈의 예이며, 도 4는 본 발명에 따른 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계의 외관 사시도의 예이고, 도 5는 본 발명에 따른 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계가 적용된 프로젝션 헤드램프의 구성도이며, 도 6은 본 발명에 따른 프로젝션 헤드램프의 로우 빔 작동 상태이며, 도 7은 본 발명에 따른 프로젝션 헤드램프가 차량에 적용되어 로우 빔으로 차량 전방 시야를 형성한 상태이고, 도 8은 본 발명에 따른 프로젝션 헤드램프의 하이 빔 작동 상태이며, 도 9는 본 발명에 따른 프로젝션 헤드램프가 차량에 적용되어 하이 빔으로 차량 전방 시야를 형성한 상태이고, 도 10은 본 발명에 따른 프로젝션 광학계가 ADB(Adaptive Driving Beam) 모드를 위해 ADB 실드를 적용한 예이며, 도 11은 본 발명에 따른 프로젝션 헤드램프가 차량에 적용되어 하이 빔 동작 시 ADB 모드 구현 상태이다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 프로젝션 광학계(9)는 전구(10), 반사경(20), 프로젝션 홀더(30), 비구면 렌즈(50), 시팅 림(sitting rim)(60), 프리즘 렌즈(70), 보정 렌즈(80)를 포함한다.
구체적으로, 상기 전구(10)는 필라멘트(filament)로 이루어져 빛을 발생하는 광원이고, 반사경(20)에 결합된다. 특히, 상기 전구(10)는 LED를 포함한 다양한 종류의 빛을 발생시키는 광원으로 작용함으로써 필라멘트 타입 전구로 한정되지 않는다. 상기 반사경(20)은 뒤쪽에서 결합된 전구(10)가 중앙으로 위치되며 앞쪽에서 프로젝션 홀더(30)가 결합된다. 상기 프로젝션 홀더(30)는 반사경(20)과 비구면 렌즈(50)를 연결하며, 반사경(20)에서 반사된 빛이 이동하는 통로로 작용한다. 상기 비구면 렌즈(50)는 반사경(20)의 하부 반사면(21a)에서 반사된 하부 반사 빛을 투과시킨다. 상기 시팅 림(60)은 환형 링으로 이루어지고, 프로젝션 홀더(30)와 비구면 렌즈(50)의 결합상태를 유지시켜 준다.
구체적으로, 상기 프리즘 렌즈(70)는 광원 입사면(71), 광원 출사면(73), 광원 반사면(75), 프리즘 형성면(77)으로 4개의 면을 구분한다. 그 결과 상기 프리즘 렌즈(70)를 통과하는 빛의 경로는 광원 입사면(71)의 투과에 의한 입사경로꺾임과 광원 반사면(75)의 반사에 의한 반사경로전환 및 광원 출사면(73)의 투과에 의한 출사경로꺾임을 형성하고, 출사경로꺾임으로 광원 출사면(73)에서 나오는 빛은 입사각에 대해 90도로 방향 전환된다.
구체적으로, 상기 보정 렌즈(80)는 프리즘 렌즈(70)가 반사경(20)의 상부 반사면(21b)에서 반사된 상부 반사 빛을 비구면 렌즈(50)로 보내주기 전 단계 위치에서 프리즘 렌즈(70)에서 나온 빛의 색도분리 및 의도치 않은 빛의 각도보정을 수행한다.
그러므로 상기 프로젝션 광학계(9)는 실드로 차단되어 사용되지 못하던 상부 반사 빛이 프리즘 렌즈(70)의 작용으로 하부 반사 빛과 함께 섞이는 이중 광 경로를 형성한다.
일례로 상기 프로젝션 광학계(9)가 동작하는 경우 전구(10)를 광원으로 하여 빛을 발생하며, 발생된 빛은 반사경(20)의 하부와 상부에서 각각 반사되고, 하부 반사 빛은 위쪽 방향으로 반사되어 비구면 렌즈(50)로 바로 투사됨으로써 로우 빔 경로로 형성되며, 상부 반사 빛은 아래쪽 방향으로 반사되어 프리즘 렌즈(70)에 의해 위쪽 방향으로 경로 변경되어 보정 렌즈(80)를 거쳐 비구면 렌즈(50)로 투사됨으로써 프리즘 경로로 형성되고, 로우 빔 경로 빛과 프리즘 경로 빛은 비구면 렌즈(50)를 투과하여 비구면 렌즈(50)의 앞쪽으로 조사된다.
특히, 상기 프로젝션 광학계(9)는 프리즘 렌즈(70)의 약 30도 회전으로 상부 반사 빛의 출사 각을 변경함으로써 프리즘경로가 프리즘 로우 빔과 프리즘 하이 빔으로 구분될 수 있다. 상기 프리즘 로우 빔은 로우 빔의 광량을 증가시켜 주고 상기 프리즘 하이 빔은 로우 빔을 하이 빔으로 형성시켜 준다.
도 2를 참조하면, 상기 반사경(20)은 깔때기 형상으로 이루어지고, 반사면(21)과 전구 홀(22) 및 전,후방 반사경 플랜지(23-1,23-2)로 구성된다. 상기 반사면(21)은 중앙으로 위치된 전구(10)의 필라멘트를 감싸는 타원으로 형성되며, 상기 필라멘트의 아래쪽 공간인 하부 반사면(21a)과 위쪽 공간인 상부 반사면(21b)으로 구분된다. 상기 전구 홀(22)은 전구(10)의 필라멘트가 끼워지도록 반사면(21)에 연통된다. 상기 전,후방 반사경 플랜지(23-1,23-2)는 반사면(21)의 양 끝단에 각각 형성되며, 상기 전방 반사경 플랜지(23-1)는 프로젝션 홀더(30)와 결합되고 상기 후방 반사경 플랜지(23-2)는 프로젝션 헤드램프의 하우징과 결합된다.
도 3을 참조하면, 상기 프리즘 렌즈(70)는 광원 입사면(71), 광원 출사면(73), 광원 반사면(75), 프리즘 형성면(77)으로 4개의 면을 구분함으로써 입사각과 출사각이 90도로 직교하도록 편각을 90도로 유지하는 일정 편각 타입 프리즘 렌즈이다. 일례로, 상기 광원 입사면(71)과 상기 광원 출사면(73)의 꼭짓점 A의 각도는 90도이고, 상기 광원 입사면(71)과 상기 광원 반사면(75)의 꼭짓점 B의 각도는 75도이며, 상기 광원 반사면(75)과 상기 프리즘 형성면(77)의 꼭짓점 C의 각도는 135도이고, 상기 프리즘 형성면(77)과 상기 광원 출사면(73)의 꼭짓점 D의 각도는 60도이다. 그러므로 상기 프리즘 렌즈(70)는 광원 입사면(71)과 광원 출사면(73)이 형성하는 삼각형과 광원 출사면(73)과 프리즘 형성면(77)이 형성하는 직각 삼각형으로 구분된다.
도 4를 참조하면, 프로젝션 광학계(9)는 반사경(20), 프로젝션 홀더(30), 비구면 렌즈(50), 시팅 림(sitting rim)(60)을 외장부품으로 하고, 전구(10)와 프리즘 렌즈(70) 및 보정 렌즈(80)를 내장 부품으로 한다.
구체적으로, 상기 프로젝션 홀더(30)는 후방 홀더 플랜지(33-2)와 전방 홀더 돌기(33-3)를 포함하고, 상기 후방 홀더 플랜지(33-2)를 이용하여 반사경(20)의 전방 반사경 플랜지(23-1)와 스크류(또는 볼트)체결되며, 상기 전방 홀더 돌기(33-3)를 이용하여 시팅 림(60)의 조립 홀(60-1)과 결합함으로써 비구면 렌즈(50)가 끼워진 전방 부위를 조여 준다. 그 결과 프로젝션 광학계(9)는 프로젝션 홀더(30)의 작용으로 반사경(20)과 비구면 렌즈(50)의 조립 상태가 견고하게 유지된다.
구체적으로, 상기 전구(10)는 반사경(20)의 전구 홀(22)을 통해 반사경(20)에 강하게 구속됨으로써 조립 상태에서 이탈이 방지된다. 상기 프리즘 렌즈(70)는 프로젝션 홀더(30)의 내부 공간 구조를 이용하여 약 30도 회전 가능하도록 결합되고, 상기 보정 렌즈(80)는 프로젝션 홀더(30)의 내부 공간 구조를 이용하여 비구면 렌즈(50)의 아래쪽 부위에 덧대어지도록 수직하게 세워진다. 이 경우 상기 보정 렌즈(80)의 비구면 렌즈(50)에 대한 겹침 구간은 하부 반사 빛이 비구면 렌즈(50)로 투사되는 경로의 아래쪽으로 제한된다.
도 5를 참조하면, 프로젝션 헤드램프(1)는 램프 하우징(3), 램프 렌즈(5), 조절 볼트(6), 단자 커넥터(7), 프리즘 렌즈(70)가 주요 구성요소인 프로젝션 광학계(9)를 포함함으로써 프리즘 렌즈(70)에 의한 이중 광 경로를 형성한다.
구체적으로, 상기 램프 하우징(3)은 프로젝션 광학계(9)가 내부로 장착되는 내부 구조를 형성하고, 프로젝션 헤드램프(1)가 헤드램프로 정착되는 차량의 장착 구조에 맞춘 외관 형상으로 이루어진다. 상기 램프 렌즈(5)는 램프 하우징(3)의 전면에 결합되고, 운전자의 전방시야 확보를 위해 프로젝션 광학계(9)에서 나온 빛을 차량의 전방으로 조사한다. 상기 조절 볼트(6)는 프로젝션 광학계(9)의 차량 장착 각도 등을 조절하도록 램프 하우징(3)에 구비된다. 상기 단자 커넥터(7)는 프로젝션 헤드램프(1)의 조작 시 전원공급과 하이 빔/로우 빔 전환을 위한 전기회로에 연결된다.
구체적으로, 상기 프로젝션 광학계(9)는 전구(10), 반사경(20), 프로젝션 홀더(30), 비구면 렌즈(50), 프리즘 렌즈(70), 렌즈 액추에이터(70-1), 보정 렌즈(80)를 포함한다. 그러므로 상기 프로젝션 광학계(9)는 도 1 내지 도 4를 통해 기술된 프로젝션 광학계(9)와 동일하다.
다만, 상기 프리즘 렌즈(70)는 램프 하우징(3)의 구조를 이용해 장착된 렌즈 액추에이터(70-1)와 함께 구성되고, 상기 프로젝션 홀더(30)는 렌즈 액추에이터(70-1)가 프리즘 렌즈(70)와 연계되도록 구조 변경되는 차이가 있다. 그 결과 상기 렌즈 액추에이터(70-1)는 프리즘 렌즈(70)를 약 30도 정도 회전시켜 줌으로써 프리즘경로가 프리즘 로우 빔과 프리즘 하이 빔으로 구분될 수 있다. 상기 프리즘 로우 빔은 로우 빔 경로에 의한 로우 빔과 합쳐져 로우 빔을 형성하고, 상기 프리즘 하이 빔은 로우 빔 경로에 의한 로우 빔과 합쳐져 하이 빔을 형성한다. 일례로, 상기 렌즈 액추에이터(70-1)는 스텝 모터 또는 솔레노이드 밸브를 적용할 수 있다.
한편, 도 6 및 도 7은 프로젝션 헤드램프(1)의 로우 빔 작동 상태를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 운전자의 스위치 조작에 의한 프로젝션 헤드램프(1)의 동작은 로우 빔을 기본으로 한다. 즉, 운전자의 스위치 조작 신호는 커넥터(7)를 통해 전달됨으로써 전구(10)가 켜지고, 렌즈 액추에이터(70-1)의 초기 상태 유지로 프리즘 렌즈(70)도 초기 위치를 유지한다. 이때 프리즘 렌즈(70)도 초기 위치는 하이 빔 발생 각도인 30도를 기준으로 할 때 0도를 의미한다.
구체적으로 전구(10)를 광원으로 하여 발생된 빛은 반사경(20)의 하부 반사면(21a)에서 하부 반사 빛으로 반사되어 위쪽으로 꺾이고 동시에 반사경(20)의 상부 반사면(21b)에서 상부 반사 빛으로 반사되어 아래쪽으로 꺾이게 된다. 그러면 상기 하부 반사 빛은 비구면 렌즈(50)로 바로 투사됨으로써 로우 빔(LB, Low Beam)으로 비구면 렌즈(50)를 투과한다. 이와 동시에 상기 상부 반사 빛은 프리즘 렌즈(70)에 의한 경로 전환으로 보정 렌즈(80)로 투사됨으로써 보정 렌즈(80)를 투과한 빛은 프리즘 렌즈(70)에서 나온 빛의 색도분리나 원치 않는 각도 보정이 이루어진 후 비구면 렌즈(50)로 투사되어 프리즘 로우 빔(PLB, Prism Low Beam)으로 비구면 렌즈(50)를 투과한다. 이어 상기 비구면 렌즈(50)를 투과한 로우 빔(LB)과 프리즘 로우 빔(PLB)은 램프 렌즈(5)를 투과하여 전방으로 조사됨으로써 로우 빔을 발생시킨다.
도 7을 참조하면, 로우 빔(LB)과 프리즘 로우 빔(PLB)이 섞인 고 광량 로우 빔(200)이 차량(100)의 전방 쪽으로 더 많은 빛 에너지로 조사됨으로써 전방시야를 보다 밝게 하고 동시에 차량(100)의 측면 쪽에 대한 빛 에너지 확장이 일어남으로써 측면확장시야(200-1)의 밝기도 더욱 향상된다. 이 결과는 실험적으로 증명되었다.
한편, 도 8 및 도 9는 프로젝션 헤드램프(1)의 하이 빔 작동 상태를 나타낸다. 이하 하이 빔은 로우 빔 상태에서 전환됨으로 가정한다.
도 8을 참조하면, 운전자의 스위치 조작 신호는 커넥터(7)를 통해 전달됨으로써 렌즈 액추에이터(70-1)의 동작이 이루어지고, 상기 렌즈 액추에이터(70-1)의 동작은 프리즘 렌즈(70)를 약 30도 회전시켜줌으로써 프리즘 렌즈(70)는 초기 위치에서 30도 변경된다. 그 결과 상부 반사 빛의 프리즘 렌즈(70)에 대한 입사각도 30도 만큼 각도 변환되지만 90도 편각이 유지됨으로써 프리즘 렌즈(70)의 출사각은 0도 대비 30도 만큼 아래쪽으로 내려간다.
구체적으로 전구(10)를 광원으로 하여 발생된 빛은 반사경(20)의 하부 반사면(21a)에서 하부 반사 빛으로 반사되어 위쪽으로 꺾이고 동시에 반사경(20)의 상부 반사면(21b)에서 상부 반사 빛으로 반사되어 아래쪽으로 꺾이게 된다. 그러면 상기 하부 반사 빛은 비구면 렌즈(50)로 바로 투사됨으로써 로우 빔(LB, Low Beam)으로 비구면 렌즈(50)를 투과한다. 이와 동시에 상기 상부 반사 빛은 로우 빔 입사각 대비 30도 꺾인 하이 빔 입사각으로 프리즘 렌즈(70)로 들어감으로써 하이 빔 출사각은 로우 빔 출사각 대비 30도 낮게 위쪽으로 경로 전환되어 보정 렌즈(80)의 아래쪽부위로 투사된다. 그러면 보정 렌즈(80)를 투과한 빛은 프리즘 렌즈(70)에서 나온 빛의 색도분리나 원치 않는 각도 보정이 이루어진 후 비구면 렌즈(50)로 투사됨으로써 프리즘 하이 빔(PHB, Prism High Beam)으로 비구면 렌즈(50)를 투과한다. 이어 상기 비구면 렌즈(50)를 투과한 로우 빔(LB)과 프리즘 하이 빔(PHB)은 램프 렌즈(5)를 투과하여 전방으로 조사됨으로써 하이 빔을 발생시킨다.
도 9를 참조하면, 로우 빔(LB)과 프리즘 하이 빔(PHB)이 섞인 고 광량 하이 빔(300)이 차량(100)의 전방 쪽으로 더 많은 빛 에너지로 조사됨으로써 전방시야를 보다 밝게 하면서 앞쪽 시야 확보 성능도 더욱 향상된다. 이 결과는 실험적으로 증명되었다.
한편, 도 10 및 도 11은 프로젝션 광학계(9)가 ADB(Adaptive Driving Beam) 실드(40-1) 적용으로 ADB 모드를 구현하는 예이다. 여기서 상기 ADB 모드는 하이 빔 동작 중 암영대를 형성해주는 헤드램프 동작을 의미한다.
도 10을 참조하면, 상기 프로젝션 광학계(9)는 프로젝션 홀더(30)에 적용된 ADB 실드(40-1)를 포함한다. 상기 ADB 실드(40-1)는 프로젝션 홀더(30)의 내부 공간에서 프리즘 렌즈(70)와 연계되도록 위치되고, 암영대 형성면(40-1A)이 형성되도록 내부각도 및 형상을 변경함으로써 ADB 실드(40-1)의 외관 형상이 땅콩형상(예, ∞)을 이루어 ADB 모드 동작시 암영대를 형성하여 준다. 특히, 상기 ADB 실드(40-1)는 프리즘 렌즈(70)를 회전시켜주는 렌즈 액추에이터(70-1)와 연계시켜 움직임을 부여하거나 또는 별도의 ADB 액추에이터나 ADB 솔레노이드 밸브를 적용하며, 스위치 조작으로 동작 제어되도록 구성된다.
그러므로 상기 프로젝션 광학계(9)는 ADB 실드(40-1)를 제외하고, 도 1 내지 도 9를 통해 기술된 프로젝션 광학계(9)와 동일하게 전구(10), 반사경(20), 프로젝션 홀더(30), 비구면 렌즈(50), 시팅 림(60), 프리즘 렌즈(70), 보정 렌즈(80)를 포함한다.
도 11을 참조하면, 프로젝션 헤드램프(1)를 장착한 차량(100)의 운전자가 전방시야를 고 광량 하이 빔(300)으로 확보하면서 주행하다 선행 차량(100-1)의 발견 시 ADB 모드를 조작한다. 그러면 ADB 실드(40-1)의 암영대 형성면(40-1A)이 비구면 렌즈(50)로 투사되는 빛의 일부를 차단함으로써 고 광량 하이 빔(300)이 암영대(400-1)가 형성된 ADB 하이 빔(400)으로 변경된다. 그 결과 차량(100)은 고 광량 하이 빔(300)으로 선행 차량(100-1)에 영향을 끼치지 않고, 특히 선행 차량(100-1)의 운전자는 눈부심으로 인한 불편을 겪지 않게 된다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 프로젝션 헤드램프에는 전구(10)에서 발생된 빛이 위쪽을 향하는 상방향 경로로 반사되는 하부 반사 빛과 아래쪽을 향하는 하방향 경로로 반사되는 상부 반사 빛으로 동시에 형성되는 반사경(20), 상부 반사 빛이 하방향 경로를 상방향 경로로 변경된 프리즘 로우 빔으로 출사되는 프리즘 렌즈(70), 하부 반사 빛에 프리즘 로우 빔을 더해 로우 빔으로 조사하는 비구면 렌즈(50)로 구성된 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계(9)가 포함되고, 차량의 헤드램프로 적용되어 동작 시 기존에 실드 차단으로 사용되지 못하던 빛을 프리즘 렌즈(70)가 로우 빔과 하이 빔 광량으로 사용함으로써 빛 에너지 사용 효율을 크게 높이고, 특히 실제적으로 개선되기 어려운 투과인자와 차단인자 및 반사인자의 개선 없이도 프로젝션 헤드램프(1)의 광 효율이 크게 높아진다.
1 : 프로젝션 헤드램프 3 : 램프 하우징
5 : 램프 렌즈 6 : 조절 볼트
7 : 단자 커넥터 9 : 프로젝션 광학계
10 : 전구 20 : 반사경
21 : 반사면 21a : 하부 반사면
21b : 상부 반사면 22 : 전구 홀
23-1,23-2 : 전,후방 반사경 플랜지
30 : 프로젝션 홀더 33-2 : 후방 홀더 플랜지
33-3 : 전방 홀더 돌기
40-1 : ADB(Adaptive Driving Beam) 실드
40-1A : 암영대 형성면(40-1A)
50 : 비구면 렌즈
60 : 시팅 림(sitting rim) 60-1 : 조립 홀
70 : 프리즘 렌즈 70-1 : 렌즈 액추에이터
71 : 광원 입사면 73 : 광원 출사면
75 : 광원 반사면 77 : 프리즘 형성면
80 : 보정 렌즈
100 : 차량 100-1 : 선행 차량
200 : 고 광량 로우 빔 200-1 : 측면확장시야
300 : 고 광량 하이 빔 400 : ADB(Adaptive Driving Beam) 하이 빔
400-1 : 암영대

Claims (19)

  1. 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
    것을 특징으로 하는 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 하부 반사 빛의 경로는 상기 프리즘 로우 빔의 경로와 상기 프리즘 하이 빔의 경로보다 위쪽에서 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 회전은 상기 하이 빔의 조작 신호로 발생되는 것을 특징으로 하는 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 프리즘 렌즈는 입사각과 출사각이 90도로 직교되는 것을 특징으로 하는 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 프리즘 렌즈는 상기 입사각을 형성한 광원 입사면, 상기 출사각을 형성한 광원 출사면, 상기 광원 출사면에 대향되는 광원 반사면, 상기 광원 입사면에 대향되는 프리즘 형성면으로 구분되는 것을 특징으로 하는 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 광원 입사면과 상기 광원 출사면은 90도로 직교되는 것을 특징으로 하는 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 비구면 렌즈와 상기 프리즘 렌즈의 사이에는 보정 렌즈가 위치되고, 상기 보정 렌즈에서 상기 프리즘 로우 빔과 상기 프리즘 하이 빔의 각각에 대한 보정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 보정 렌즈는 상기 비구면 렌즈를 향하는 상기 하부 반사 빛의 경로를 벗어난 위치에서 상기 비구면 렌즈쪽으로 위치되는 것을 특징으로 하는 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 보정 렌즈는 상기 프리즘 로우 빔을 위쪽부위로 받아들이고 상기 프리즘 하이 빔을 아래쪽부위로 받아들이는 것을 특징으로 하는 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 반사경은 상기 하부 반사 빛과 상기 상부 반사 빛을 각각 반사하는 반사면을 형성한 깔때기 형상으로 이루어지고, 상기 반사면은 타원 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 반사경과 상기 비구면 렌즈는 프로젝션 홀더로 연결되고, 상기 프리즘 렌즈는 상기 프로젝션 홀더의 내부 공간에 위치되는 것을 특징으로 하는 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 프로젝션 홀더에는 시팅 림(sitting rim)이 결합되고, 상기 시팅 림은 상기 프로젝션 홀더와 상기 비구면 렌즈의 조립 상태를 유지시켜주는 것을 특징으로 하는 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계.
  14. 청구항 1과 청구항 2 및 청구항 4 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 의한 프로젝션 광학계;
    상기 프로젝션 광학계에서 나온 로우 빔과 하이 빔을 각각 전방으로 조사하는 램프 렌즈;
    상기 램프 렌즈가 결합된 램프 하우징;
    이 포함된 것을 특징으로 하는 프로젝션 헤드램프.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 램프 하우징에는 단자 커넥터가 구비되고, 상기 단자 커넥터에서 상기 프로젝션 광학계의 전원 공급과 상기 로우 빔과 상기 하이 빔의 전환을 위한 제어신호가 입력되는 것을 특징으로 하는 프로젝션 헤드램프.
  16. 청구항 14에 있어서, 상기 램프 하우징에는 상기 프로젝션 광학계를 움직이는 렌즈 액추에이터가 구비되고, 상기 렌즈 액추에이터의 구동으로 상기 로우 빔과 상기 하이 빔이 선택되는 것을 특징으로 하는 프로젝션 헤드램프.
  17. 청구항 14에 있어서, 상기 프로젝션 광학계에는 ADB(Adaptive Driving Beam) 실드가 포함되고, 상기 ADB 실드는 상기 프로젝션 광학계의 하이 빔에 암영대를 형성해주는 것을 특징으로 하는 프로젝션 헤드램프.
  18. 청구항 1과 청구항 2 및 청구항 4 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 의한 프로젝션 광학계를 구비한 프로젝션 헤드램프;
    상기 프로젝션 헤드램프가 좌우 양쪽으로 전조등으로 적용된 것을 특징으로 하는 차량.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 프로젝션 헤드램프에는 ADB(Adaptive Driving Beam) 실드가 포함되고, 상기 ADB 실드는 상기 프로젝션 광학계의 하이 빔에 암영대를 형성해주는 것을 특징으로 하는 차량.
KR1020160058828A 2016-05-13 2016-05-13 이중 광 경로 형성 방식 프로젝션 광학계와 이를 적용한 프로젝션 헤드램프 및 차량 KR101795253B1 (ko)

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