KR101805049B1 - 헤드라이트 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적어도 하나의 발광 재료(20)를 갖는 헤드라이트 모듈(10)에 관한 것으로, 상기 헤드라이트 모듈(10)은 또한, 상기 적어도 하나의 발광 재료(20)의 적어도 하나의 캐리어 디바이스(18); 적어도 하나의 여기 방사원(12); 및 적어도 하나의 빔 지향 디바이스(14)를 포함하며, 상기 적어도 하나의 빔 지향 디바이스(14)는, 상기 적어도 하나의 여기 방사원(12)에 의해 방출된 방사를 상기 적어도 하나의 발광 재료(20) 상에 지향시키는 방식으로 배열된다.
Description
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 청구된 바와 같은 헤드라이트 모듈에 관한 것이다.
이러한 헤드라이트 모듈은 예를 들어, WO2010/000610 A1에 개시되어 있다. 이러한 공보는 차량 헤드라이트들을 위한 조명 유닛을 기술하며, 상기 조명 유닛은, LED 칩들에 의해 생성된 청색 광을 백색 광으로 변환하기 위해, 인광체의 코팅(칩 레이어 코팅)을 갖는 LED 칩들을 광원으로서 갖는다. 상기 조명 유닛은 차량 헤드라이트의 통합된 부분으로서 구현되며, 그러므로 헤드라이트 모듈로서 간주될 수 있다. 이러한 특허 출원에서, 헤드라이트 모듈이라는 용어는, 헤드라이트에서의 이용을 위해 설계된 또는 헤드라이트의 컴포넌트 부분으로서 구현된 모듈을 나타낸다. 본 발명의 의미 내에서, 이러한 모듈은 헤드라이트에서 단일 엔티티로서 이용되는 구성 유닛으로서, 또는 헤드라이트의 개개의, 상호작용 컴포넌트들의 시스템으로서 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 헤드라이트 모듈은, 다른 애플리케이션 분야들이 또한 가능하지만, 마찬가지로 주로 차량 헤드라이트에서의 이용을 위해 설계된다.
법적으로 요구되는 하향 빔(low beam) 및 상향 빔(high beam)에 부가하여, 하이-엔드 차량 헤드라이트들은 현재, ECE 규제 123의 조항들에 기초하여 동적인 그리고 정적인 코너링 라이트(cornering light)와 같은 가변적인 광 분배들을 또한 생성한다. 가까운 미래에, 적응적 상향 빔이 또한 허용될 것이다. 여기서, 상향-빔 광의 부분들은, 앞의 차량들 또는 다가오는 차량들을 눈부시게 하는 것을 회피하기 위해 마스킹 아웃(masked out)된다. 부가하여, 모든 현재 헤드라이트 시스템들은, 헤드라이트의 범위 조절을 제공하기 위해 이동 방향에 직각(right angle)들인 수평 축을 중심으로 선회하도록(swivel) 설계되어야 한다. 매우 고성능의 헤드라이트들에서, 이러한 조절은 심지어, 차량의 로딩 상태의 함수로서 자동으로 수행되어야 한다. 특히, 보다 최근에 이용되는 LED 헤드라이트들의 경우에, 이는, 무거운 냉각 시스템을 포함하는 전체 시스템이 선회되어야 한다는 것을 의미한다.
이러한 목적을 위해, 수평 축을 중심으로 헤드라이트 모듈을 선회시키기 위해, 스테퍼 모터(stepper motor)들을 갖는 기계적인 시스템들이 통상적으로 이용된다. 동적 코너링 라이트를 구현하기 위해, 수직 축을 중심으로 헤드라이트 모듈을 선회시키는 것이 또한 알려져 있다.
적응적 상향 빔 및 다른 가변적인 광 분배들을 위해, 힌지형(hinged) 셔터들 또는 롤러들을 갖는 기계적인 시스템들이 계속 이용되며, 이에 의해 방전 램프들 또는 심지어 할로겐 램프들로부터의 광이 선택적으로 마스킹 아웃된다.
또한 알려진 것은 이미징 엘리먼트를 포함하는 방전 램프들에 기초하는 이른바 매트릭스 헤드라이트들이며, 각각의 픽셀은 특정 입체각(solid angle) 엘리먼트를 담당한다. 이들 헤드라이트들은 픽셀 또는 매트릭스 AFS(적응적 전방 조명 시스템) 헤드라이트들로서 지칭된다. 이들은 한편으로는, 광학 컴포넌트들을 작게 유지하기 위해 고휘도를 필요로 하며, 그 다음으로 ― 원하는 광 분배에 따라 ― 대체로 다시(again) 마스킹 아웃되는 고광속(high luminous flux)을 필요로 하여서, 단지 고광속의 작은 부분만이 실제로 이용된다.
이러한 종류의 세기 변조된 매트릭스 헤드라이트의 이점들은 그의 높은 해상도, 그러므로 무빙(moving) 컴포넌트들 및 서보모터(servomotor)들이 필요 없게 될 가능성이지만, 그의 단점들은 한편으로는 높은 구현 비용들 그리고 다른 한편으로는 설계에 내재하는 광 손실로 인한 낮은 효율성에 있다.
다중-LED 헤드라이트들은 요구되는 곳에만 광을 적용하고, 그러므로 원칙적으로 보다 효율적일 수 있다. 그러나, 수용가능한 비용으로 스위칭될 수 있는 LED들의 한정된 수로 인해, 이들은 헤드라이트 빔을 충분히 정교하게 조절하기에 충분한 해상도를 제공하지 않는다. 그러므로, 이들은 여전히 서보모터들 및 무빙 부품들을 필요로 한다.
요약하면, 현재 알려진 시스템들 모두는, 효율성, 비용, 및 기계적인 시스템들의 이용, 그러므로 필연적으로 신뢰성의 측면에 있어서의 절충을 나타낸다.
그러므로, 본 발명의 목적은, 헤드라이트 모듈을 선회시키기 위한 필요성을 수반하지 않으면서 높은 정도의 신뢰성 및 최대의 효율성으로, 상이한 운전 상황들을 위해 동적인 광 분배를 가능한 한 저렴하게 제공할 헤드라이트 모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 제1항에 제시된 특징들을 갖는 헤드라이트 모듈에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 헤드라이트 모듈은 전자기 방사에 의해 광을 방출하도록 여기될 수 있는 적어도 하나의 발광 재료(인광체) 또는 하나의 인광체 혼합물, 및 적어도 하나의 인광체 또는 인광체 혼합물을 여기시키기 위한 적어도 하나의 방사원을 갖는다. 본 발명에 따라, 헤드라이트 모듈은 부가적으로, 적어도 하나의 빔 지향(directing) 디바이스 및 적어도 하나의 인광체를 위한 적어도 하나의 캐리어 디바이스를 가지며, 적어도 하나의 빔 지향 디바이스는, 적어도 하나의 방사원에 의해 방출되는 전자기 방사를 적어도 하나의 인광체 또는 인광체 혼합물 상으로 지향시키도록 배치되거나 또는 구현된다. 적어도 하나의 빔 지향 디바이스는, 인광체 또는 인광체 혼합물이, 현재, 운전자의 시계(field of vision) 내에, 예를 들어 도로 상에 설정될 동적 광 분배에 대응하는 위치들에서만 여기되는 것을 가능하게 한다. 스캐너의 스캐닝 방법과 유사하게, 방사원에 의해 방출되는 전자기 방사는 빔 지향 디바이스에 의해 캐리어 디바이스의 전체 발광 표면에 걸쳐 또는 단지 상기 전체 발광 표면의 일부분에만 걸쳐 가이드된다. 그러므로, 전자기 방사가 가이드되는, 인광체 또는 인광체 혼합물의 구역들만이 광을 방출하도록 여기된다. 상기 빔은 보다 신속하게 가이드되고 그 다음으로 사람의 눈이 따를 수 있다. 이러한 방식으로, 투사 옵틱(optic)들에 의해, 예를 들어 조명될 도로 상에 투사될 수 있는 광 분배가 캐리어 디바이스의 발광 표면 상에 생성된다.
적어도 하나의 방사원은 바람직하게 레이저, 예를 들어 레이저 다이오드 또는 레이저 다이오드들의 어레이 또는 하나 또는 둘 이상의 발광 다이오드들, 특히 수퍼루미넌스(superluminance) 다이오드들이다. 이들 방사원들에 의해, 자외선 및 적외선 구역에서 그리고 가시광의 스펙트럼 범위로부터 전자기 방사가 매우 효율적으로 생성될 수 있으며, 그리고 인광체 또는 인광체 혼합물을 여기시키기 위해 이용될 수 있다. 바람직하게, 자외선 방사 또는 청색 광 방출 LED 어레인지먼트 및 특히 선호되는 레이저 다이오드 어레인지먼트는 방사원으로서 이용되며, 이로부터, 예를 들어, 백색 광 방출 차량 헤드라이트를 제공하기 위해 인광체 또는 인광체 혼합물에 의해 백색 광이 발생된다.
본 발명에 기초하여, 많은 수의 이점들이 달성될 수 있다:
위에서 언급된 스캐닝 프로세스를 이용하여, 방사가 여기 방사원에서 변조될 수 있다는 점으로 인해, 요구되는 곳에만 인광체가 여기되어, 높은 정도의 효율성을 초래한다. 종래 기술로부터 알려진 바와 같은, 방사의 마스킹-아웃 및 다운스트림 변조로 인한 효율성 악화는 필요하지 않다. 이는 차량 가솔린 소비 및 CO2 배출들을 감소시키는 것을 돕는다.
본 발명에 의해 고해상도가 달성될 수 있다. 예를 들어, 마이크로미러 디바이스(MEMS, MOEMS, DMD)로서 구현될 수 있는 빔 지향 디바이스는, 1000 x 1000 픽셀 범위의 해상도가 생성되는 것을 가능하게 하고, 이에 의해 스테퍼 모터들 없이도, 법적으로 요구되는 광 분배의 조절을 실현한다. 부가하여, ECE 규제 123에 규정된 바와 같은 코너링 라이트, 적응적 상향 빔 및 다른 가변적인 광 분배들은, 헤드라이트 모듈을 전체적으로 기계적으로 움직이지 않고도 광 분배를 동적으로 변화시킴으로써 발생될 수 있다. 이들의 낮은 중량으로 인해, 마이크로미러들은 어려움없이 움직일 수 있다.
본 발명에 의해 임의의 종횡비(aspect ratio)가 설정될 수 있다. 빔 지향 디바이스에 의해 스위핑(sweep)되는 인광체 영역과, 인광체 그 자체가 (하나의 피스로 또는 피스들로 커팅되어) 임의의 길이/폭 비율로 저렴하게 제조될 수 있으며, 이에 의해, 헤드라이트 빔 분배의 특정 특징들이 고려되는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 다른 이점은 그의 높은 가용성이다. 원하는 광 분배가 소프트웨어에 의해 임의의 형태로 프로그래밍될 수 있다. 이는 동일한 헤드라이트 모듈을 이용하여 고기능성의 헤드라이트들뿐만 아니라 단순한 광 분배들 또한 생성되는 것을 가능하게 한다. 레이저가 여기 방사원으로서 이용된다면, 보다 작은 레이저 클래스, 즉 보다 낮은 전력 소비를 이용함으로써, 절약형(frugal) 전기차를 위한 광원이 제조될 수 있는 한편, 렌즈들 및 리플렉터들에 의해 구현된, 복수의 배출 표면들 또는 보다 높은 레이저 출력들을 이용한 매우 복잡하고/고비용이며 설계-중심형(design-driven)의 헤드라이트들이 가능하다.
바람직한 실시예에서, 헤드라이트 모듈은 부가적으로, 적어도 하나의 인광체 또는 인광체 혼합물에 의해 방출되는 방사의 빔 경로에 배치되는 적어도 하나의 적어도 부분적으로 투명한 광학 디바이스를 포함한다. 이는 바람직하게 비구면 렌즈(aspherical lens) 및/또는 자유형상(freeform) 렌즈일 수 있으며, 이에 의해 인광체 상의 중간 이미지의 투사 또는 확대(magnification)가 무한히 구현되는 것을 가능하게 하며 - 자동차 헤드라이트들에 대해, 이는 통상적으로, 전방으로 25 m의 거리로부터의 경우이다. 자유형상 렌즈들에 의해, 예를 들어, 주변 구역들로의 광 분배의 확장을 생성하기 위해, 원하는 왜곡이 달성될 수 있다. 이는, 인광체 표면 영역이 작게 유지되면서, 보다 큰 영역들 상으로의 광 분배의 확장을 또한 달성하는 것을 가능하게 한다.
바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 캐리어 디바이스는 투명하고, 적어도 하나의 인광체에 의해 방출되는 방사를 적어도 부분적으로 반사하도록 설계되는 광학 필터 디바이스 상에 장착된다. 여기서, 적어도 하나의 빔 지향 디바이스는 바람직하게, 적어도 하나의 여기 방사원에 의해 방출되는 방사가 인광체 상에 입사되기 전에, 광학 필터 디바이스 및 캐리어 디바이스를 통과하도록 배치된다. 이러한 실시예에 의해, 여기 방사원에 의해 방출되는 방사가 작은 각도로 인광체 상에 입사되어, 매우 작은 왜곡만을 초래한다. 그러므로, 왜곡 정정 대책들은 그리 중요하지 않은 경향이 있다. 가능하게는 제시되는, 인광체와 적어도 부분적으로 투명한 광학 디바이스 사이의 공간은 다른 엘리먼트들 없이 유지될 수 있다.
대안적인 구현에서, 적어도 하나의 캐리어 디바이스는, 적어도 하나의 인광체에 의해 방출되는 방사 및/또는 적어도 하나의 방사원에 의해 방출되는 방사를 반사하도록 설계된다. 여기서, 적어도 하나의 빔 지향 디바이스는 바람직하게, 적어도 하나의 여기 방사원에 의해 방출되는 방사가, 인광체의 캐리어 디바이스로부터 멀리 면하는 인광체의 측 상에 입사되도록 배치된다. 이러한 변형은, 특히 낮은 전체 깊이를 초래한다. 게다가, 투명한 캐리어 디바이스 및 광학 필터 디바이스가 제공될 필요가 없기 때문에, 이는 매우 저렴하게 구현될 수 있다.
적어도 하나의 캐리어 디바이스는 바람직하게, 냉각 디바이스에 열적으로 연결되며, 상기 냉각 디바이스는 히트 싱크를 구성한다. 대안적으로, 히트 싱크는 적어도 하나의 캐리어 디바이스를 구성할 수 있다. 예를 들어, 히트 싱크를 알루미늄, 알루미늄 산화물, 또는 티타늄 산화물로 코팅함으로써, 히트 싱크가 반사적이게 이루어진다면, 인광체는, 특히 저렴한 방식으로 히트 싱크에 직접적으로 적용될 수 있다.
적어도 하나의 인광체 또는 인광체 혼합물을 갖는 캐리어 디바이스 표면은 평면형으로 또는 적어도 지역적으로 곡선형으로 이루어질 수 있다. 가능하게는 제공될 적어도 하나의 인광체의 표면의 만곡(curvature)에 의해, 사실상 인광체의 구역들 모두가, 가능하게는 제공될 적어도 부분적으로 투명한 광학 디바이스의 초점에 있는 것이 달성될 수 있기 때문에, 이는 보다 선명한 선명도가 달성되는 것을 가능하게 한다. 이는 인광체의 표면의 대응하는 설계에 의해 또는 캐리어 디바이스의 설계에 의해 달성될 수 있다.
헤드라이트 모듈은 바람직하게, 적어도 하나의 여기 방사원과 적어도 하나의 빔 지향 디바이스 사이에 배치되는 적어도 하나의 빔 스플리터 디바이스를 포함한다. 이는, 각각의 경우에서 빔 지향 디바이스에 의해, 서로 개별적으로 배치될 수 있는 복수의 인광체 구역들을 최적화된 방식으로 조명하는 것을 가능하게 만든다. 개별 광학 디바이스가 상기 인광체 구역들 각각에 제공될 수 있어서, 헤드라이트 모듈을 떠나는 광은, 복수의 오버랩하는 개개의 광 분배들의 광으로 구성된다.
다른 실시예에서, 상이한 인광체들을 갖는 복수의 인광체 구역들이 존재하며, 상기 인광체들은 상이한 2차 색들을 생성하도록 선택된다. 상기 2차 색들은 바람직하게, 그들이 후속하여 오버랩할 때 백색을 생성하도록 선택된다. 인광체들의 이러한 조합은 바람직하게, 적색-녹색-청색(RGB) 색 좌표들에 기초할 수 있지만; 그러나 평균적인 당업자에게 관련된 친숙성의 다른 색 시스템들이 또한 가능하다.
적어도 하나의 빔 지향 디바이스는 마이크로미러 디바이스를 포함할 수 있다. 마이크로미러 디바이스는 바람직하게, 2개의 축들을 중심으로 선회가능한 적어도 하나의 마이크로미러를 포함한다.
헤드라이트 모듈은 바람직하게, 적어도 하나의 여기 방사원을 위한 및/또는 적어도 하나의 빔 지향 디바이스를 위한 제어 디바이스를 부가적으로 포함한다.
제어 디바이스는 바람직하게, 마이크로미러 디바이스가 미리규정가능한 공간 위치들 및 배향들을 취하도록(assume), 마이크로미러 디바이스의 적어도 하나의 마이크로미러를 제어하도록 설계되며, 제어 디바이스는 또한, 적어도 하나의 마이크로미러의 위치 및 배향에 따라 방사원을 스위칭온 또는 스위칭오프하도록 설계된다. 특히, 제어 디바이스는, 방사원에 의해 방출되는 전자기 방사가 적어도 하나의 마이크로미러에 의해, 인광체를 갖는 캐리어 디바이스 표면 위에 행-단위(row-wise) 또는 열-단위(column-wise)로 가이드되도록 설계될 수 있다.
방사원에 의해 방출되는 상기 전자기 방사는 적어도 하나의 마이크로미러에 의해, 인광체를 갖는 전체 캐리어 디바이스 표면 위에 가이드될 수 있으며, 인광체를 갖는 구역의 하나의 섹션만을 여기시키기 위해, 따라서 원하는 광 분배를 생성하기 위해, 마이크로미러의 특정 위치들 또는 설정들이 달성될 때, 방사원이 턴온 또는 턴오프될 수 있다.
대안적으로, 방사원에 의해 방출되는 전자기 방사는 또한, 적어도 하나의 마이크로미러에 의해, 인광체를 갖는 캐리어 디바이스 표면의 단지 일부분 위에만 가이드될 수 있으며, 이러한 경우에 나머지 방사원은 마찬가지로 인광체를 갖는 구역의 단지 하나의 섹션만을 여기시키고 원하는 광 분배를 생성하기 위해 계속해서 활성화된다.
첫 번째 경우에서, 여기 방사원을 변조하기 위한 능력이 이용되며, 광이 불필요하게 억제되거나 또는 마스킹 아웃될 필요 없기 때문에, 상기 여기 방사원을 변조하기 위한 능력에 의해 높은 정도의 효율성이 달성되는 것이 가능하게 된다. 두 번째 경우에서, 여기 방사원으로부터의 방사는 광 방출이 요구되는 입체각을 위해 보다 오래 이용가능하다. 결과적으로, 여기 방사원은 축소(scale down)될 수 있으며, 이는 마찬가지로 증가된 효율성 및 감소된 구현 비용들에 반영된다. 게다가, 여기 방사원의 보다 균질한 이용이 이에 의해 달성된다.
광학 디바이스는, 적어도 하나의 인광체에 의해 방출되는 방사가 적어도 하나의 반사 디바이스 상에 적어도 입사되도록 배치되는 적어도 하나의 반사 디바이스를 포함할 수 있다. 이는 원하는 광 분배를 달성하기 위한 의도적인 왜곡을 구현하는 단순한 수단을 제공한다. 게다가, 확대 효과들이 달성될 수 있다. 반사 디바이스들의 이점은, 자동차의 이동의 방향에 관하여 인광체가 위로, 아래로, 또는 측방향으로 배향되고, 이에 의해 본 발명에 따라 헤드라이트 모듈을 구현하기 위한 보다 큰 정도의 자유도를 허용한다는 점이다. 부가하여, 방출 영역의 상이한 길이/폭 비율들이 구현될 수 있으며, 이는 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈을 갖는 헤드라이트의 설계가 최종 고객들의 규격들에 적합하게 용이하게 적응될 수 있다는 것을 의미한다.
추가의 유리한 실시예들은 종속 청구항들로부터 알려질 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 이제 첨부 도면들을 참조하여 매우 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈의 제 1 예시적인 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 2는 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈의 제 2 예시적인 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 3은 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈의 제 3 예시적인 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 4는 곡선형 인광체 캐리어 및 광학 디바이스를 갖는 본 발명에 따른 예시적인 실시예의 매우 상세한 도면을 도시한다.
도 5는 평면형 인광체 캐리어 및 반사 디바이스를 갖는 본 발명의 예시적인 실시예의 매우 상세한 도면을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈에서 이용될 여기 방사원들 및 인광체들을 결정하기 위한 CIE 표준 색 테이블을 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈의 제 2 예시적인 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 3은 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈의 제 3 예시적인 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 4는 곡선형 인광체 캐리어 및 광학 디바이스를 갖는 본 발명에 따른 예시적인 실시예의 매우 상세한 도면을 도시한다.
도 5는 평면형 인광체 캐리어 및 반사 디바이스를 갖는 본 발명의 예시적인 실시예의 매우 상세한 도면을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈에서 이용될 여기 방사원들 및 인광체들을 결정하기 위한 CIE 표준 색 테이블을 도시한다.
상이한 도면들에서, 동일한 또는 동일한 효과를 갖는 컴포넌트들을 위해 동일한 참조 문자들이 이용된다. 그러므로, 이들은 단지 한번만 소개될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈(10)의 제 1 예시적인 실시예를 개략적으로 예시한다. 상기 헤드라이트 모듈(10)은, 바람직하게 청색 광 방출 레이저로서, 특히 청색 광 방출 레이저 다이오드로서 구현되는 적어도 하나의 방사원(12)을 포함한다. 여기 방사원(12)으로부터의 방사는, 바람직하게 마이크로미러 디바이스로서 구현되는 빔 지향 디바이스(14) 상에 입사된다. 빔 지향 디바이스(14)에 의해 방출되는 방사는 먼저 광학 필터 디바이스(16)를, 그 다음으로 적어도 하나의 인광체를 위한 캐리어 디바이스(18)를, 그리고 마지막으로 적어도 하나의 인광체(20)를 통과한다. 캐리어 디바이스(18)는 바람직하게 높은 열 전도성의 물질로 이루어진다. 광학 필터 디바이스(16)는, 광학 필터 디바이스(16)가 방사원(12)으로부터의 방사를 받아들이지만(admit), 인광체(20)에 의해 방출된 방사를 반사하도록 설계된다. 빔 지향 디바이스(14)는, 인광체(20)의 상이한 구역들이 연속적으로 여기되도록, 방사원(12)에 의해 방출되는 방사를 편향시키도록 설계된다. 캐리어 디바이스(18)는 바람직하게, 세라믹, 예를 들어 다결정질 알루미늄 산화물 세라믹(PCA) 또는 사파이어로 이루어진다.
인광체(20)는, 방사원(12)의 전자기 방사를 상이한 파장들 또는 색들의 광으로 변환시키는 복수의 상이한 인광체 컴포넌트들로 구성될 수 있다. 부가하여, 인광체(20)는 또한 인광체 혼합물일 수 있다. 스토크스 시프트(Stokes shift)로 인해 인광체(20)에서 에너지의 대략 20%가 손실되고 열로 변환되기 때문에, 인광체(20)는 냉각 디바이스(22)에 의해 냉각된다. 이는 예를 들어, 팬(fan)일 수 있다. 광학 디바이스(24), 예를 들어 20 내지 100 ㎜의 초점 길이를 갖는 투사 렌즈는, 휘도 분배(luminance distribution)가 왜곡 없이 원거리 필드(far field)까지 매핑되는 것을 가능하게 한다.
도 1에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈의 실시예는, 방사원(12)으로부터의 방사가 매우 작은 각도로 인광체(20) 상에 입사되는 것을 특징으로 하며, 이는 스폿 크기, 즉 인광체(20) 상에 입사되는 빔의 직경이 작게 유지되고 인광체의 최적의 여기가 보장됨을 의미한다. 상이한 광 분배들을 생성하기 위해 필요한 해상도를 보장하기 위해, 통상의 스폿 크기들은 0.1 내지 0.2 ㎜이다. 헤드라이트 모듈(10)에 의해 방출되는 광이 3000 내지 6500 켈빈(Kelvin)의 범위의 색 온도를 갖는 백색이도록, 인광체(20) 및 광원(12)이 매칭된다.
도 2에 개략적으로 예시된 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈(10)의 실시예는 도 1에 도시된 실시예보다 훨씬 더 작은 전체 깊이를 특징으로 한다. 여기서, 캐리어 디바이스(18)로부터 멀리 면하는 인광체(20)의 측 상에 입사하도록, 방사원(12)과 빔 지향 디바이스(14)의 결합이 장착된다. 캐리어 디바이스(18)는, 적어도 하나의 여기 방사원(12)에 의해 방출된 방사 및/또는 적어도 하나의 인광체(20)에 의해 방출된 방사를 반사하도록 설계된다. 캐리어 디바이스(18)는 또한, 그 자체가 히트 싱크로서 구현될 수 있다. 결과적으로, 도 2에 도시된 실시예는 굉장히 적은 제조 비용들을 특징으로 한다. 또한 표시되는 것은 명/암 경계(light/dark boundary)(HDG)이다(도 1에 또한 표시됨).
도 3에 예시된 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈(10)의 예시적인 실시예에서, 예로서 3개의 개별 인광체들(20a, 20b, 20c)이 제공되며, 각각의 인광체에는 광학 디바이스(24a, 24b, 24c)가 할당되며, 광학 디바이스들(24a, 24b, 24c)에 의해 방출되는 광은 전체 이미지(26)에 병합된다. 예로서, 광학 디바이스(28), 예를 들어 렌즈는 방사원(12)의 다운스트림에 연결될 수 있는 것으로 표시되었다. 렌즈(28)로부터 떠나는 방사는 2개의 빔 스플리터 디바이스들(30a, 30b)에 의해 3개의 빔 지향 디바이스들(14a, 14b, 및 14c)에 공급된다.
간략화를 위해, 인광체들(20a, 20b, 20c)은 단지 빔 지향 디바이스 또는 보다 구체적으로는 마이크로미러(14a)에 의해서만 활성화되는 것으로 도 3에 도시되었다. 그러나, 각각의 인광체(20a, 20b, 20c)가 각각의 빔 지향 디바이스 또는 보다 구체적으로는 각각의 마이크로미러(14a, 14b, 14c)에 의해 활성화되는 것이 또한 가능하다.
명백하게 확인될 수 있는 바와 같이, 인광체(20b)를 갖는 표면은 곡선형이지만, 인광체들(20a, 20c)은 평면형의 표면들 상에 배치된다. 냉각 디바이스(32)는 방사원(12)을 냉각시키기 위해 이용된다. 또한 도시되는 것은, 적어도 하나의 방사원(12) 및 빔 지향 디바이스들(14a 내지 14c)을 제어하기 위해 이용되는 제어 디바이스(34)이다. 빔 지향 디바이스들(14a 내지 14c)은, 특히 2개의 축들을 중심으로 회전할 수 있는(pivotable) 마이크로미러들로서 구현될 수 있다. 제어 디바이스(34)는, 예를 들어, 수평으로는 +/- 50° 그리고 수직으로는 -15°/+10°의 입체각 범위들로, 헤드라이트의 광 분배를 달성하기 위해, 빔 지향 디바이스들(14a 내지 14c) 및 방사원(12)이 고정된 그리드에서 제어되는 것을 가능하게 한다. 상기 제어 디바이스(34)는 또한, 광이 현재 요구되지 않는 섹터들의 스위핑 동안 방사원(12)이 간단히 스위칭오프되는 것을 가능하게 한다.
이러한 종류의 제어는 간단히 구현될 수 있는데, 그 이유는 마이크로미러를 수평으로 그리고 수직으로 편향시키고, 이에 의해, 방사원(12)으로부터 비롯되는 광 빔을 인광체(20)에 걸쳐 행 단위로(row by row) 또는 열 단위로(column by column) 가이드하기 위해 이용되는 이러한 제어 디바이스(34)의 수평/수직 편향 유닛은 항상 동일한 주파수들로 동작하고, 빔 지향 디바이스(14)의 공진 주파수는 단순한 방식으로 설정될 수 있기 때문이다. 그러나, 통상의 광 분배는 항상 단지 비교적 작은 입체각만을 채움에 따라, 이러한 어레인지먼트는 "듀티 사이클(duty cycle)"을 제공한다. 다시 말해, 방사원(12)은 마이크로미러의, 더 정확히 말하면 빔 지향 디바이스(14)의 많은 위치들에서 턴오프되고, 인광체(20)는 필요한 양의 광을 발생시키기 위해 방사원(12)의 온-타임(ON-time) 동안 높은 부하 하에 위치되어야 한다.
그러므로, 개선된 제어는 마이크로미러의, 더 정확히 말하면 빔 지향 디바이스(14)의 수평 및 수직 편향을 위한 각 범위(angular range)를 현재 요구되는 광 분배에 매칭시킨다. 예를 들어, 하향 빔을 위해서는, 명/암 경계(HDG) 위의 단지 적은 수의 행들만이 광선속(bundle of rays)의 비대칭을 위해 요구된다. 그러므로 여기서, 마이크로미러의, 더 정확히 말하면 빔 지향 디바이스의 행 단위의 가이던스를 위해서는 대응적으로 보다 작은 각 범위가 충분하다. 결과적으로, 스캐닝 사이클에서, 방사원(12)은 하향-빔 입체각에서 보다 오래 유지될 수 있다. 코너링 라이트의 경우에, 보다 적은 열들이 요구되며, 즉 방사원(12)은 코어 광 분배를 위해 보다 오래 이용가능하다. 그러므로, 마이크로미러의, 더 정확히 말하면 빔 지향 디바이스(14)의 열 단위의 가이던스를 위해 대응적으로 보다 적은 각 범위가 충분하다.
제어 기능의 마지막으로 언급되는 실시예에 있어서, 빔 지향 디바이스(14a, 14b, 14c)는 행들 및 열들에 대해 상이한 주파수들로 동작되어야 하며, 그러므로 공진 회로의 동적 튜닝을 요구한다. 이는 증가된 기술적 복잡성을 초래하지만, 이는 이용될 방사원(12)이 시간에 걸쳐 보다 균질하게 이용되는 것을 가능하게 한다.
도 4는 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈(10)의 인광체(20)와 광학 디바이스(24)의 조합을 매우 상세하게 도시한다. 예로서, 인광체 표면은 평면형의 설계이다. 이는 인광체 표면 그 자체의 적합한 설계에 의해, 또는 캐리어 디바이스(18)의 적합한 설계에 의해 달성될 수 있다. 광학 디바이스(24)는, 확대를 달성하기 위해, 그리고 이에 의해 인광체(20) 상에 중간 이미지를 무한히 투사하기 위해, 비구면 렌즈일 수 있다. 이는, 자동차가 전방으로 25 m를 초과하는 거리로부터 헤드라이팅하는 경우이다. 이러한 비구면 렌즈들의 초점면, 즉 선명한 이미지가 포커싱되는 면은 평면이 아니라, 통상적으로 곡선형 표면이다. 그러므로, 인광체(20), 더 정확히 말하면 인광체(20)의 캐리어 디바이스(18)의 표면은 구형상으로, 또는 보다 일반적으로는 원뿔 곡선(conical section)으로 구현되는 것이 바람직하다.
광학 디바이스(24)는 또한, 의도적인 왜곡을 생성하기 위해 자유형상 렌즈일 수 있다. 이는 예를 들어, 광 분배가 주변 구역들로 확장되는 것을 가능하게 하여서, 광 분배가 보다 큰 영역들에 걸쳐 확장되는 것을 가능하게 함에도 불구하고, 실제 주변 매트릭스, 즉 인광체(20) 상의 제어 디바이스(34)에 의해 설정될 행들 및 열들이 작게 유지될 수 있다.
도 5는 광학 디바이스(24)가 반사 디바이스로서 구현되는 예시적인 실시예를 개략적으로 예시한다. 반사 디바이스는 포물선형일 수 있으며, 그 다음으로 비구면 렌즈에 대한 유사한 목적, 즉 점광원(point source)으로부터의 선(ray)들이 무한히 포커싱되는, 즉 평행하게 만들어지는 것을 충족한다. 인광체(20)가 단지 절반-공간(half-space)에서 방사하기 때문에, 단지 쿼터 리플렉터 디쉬(quarter reflector dish)가 요구된다.
차례로, 자유형상 리플렉터들은 광 분배를 의도적으로 왜곡시킬 수 있다, 즉 상이한 확대 및 왜곡 요인들이 반사 디바이스의 상이한 구역들에서 이용될 수 있다.
반사 디바이스들은 또한, 인광체(20)가 이동 방향에서 위로, 아래로, 또는 측방향으로 적용될 수 있으며, 이에 의해, 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈(10)을 구비한 시스템을 설계하기 위한 보다 큰 정도의 자유도를 제공한다는 이점을 갖는다. 동시에, 출구 영역의 상이한 길이/폭 비율들이 구현될 수 있으며, 이에 의해 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈(10)을 구비한 헤드라이트의 설계에 대해 넓은 선택의 자유도를 제공한다.
도 6은, 이를 테면 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈을 위해 이용될 수 있는 여기 방사원들(12) 및 인광체들(20)의 통상적인 결합들을 설명하는 CIE 표준 색 테이블을 도시한다. 곡선(36)은 스펙트럼 색을 나타낸다. 곡선(38)은 ECE 규제들에 따라 백색일 것으로 여겨지는 필드를 둘러싼다. 또한 플로팅되는 것은 백색 포인트(40)이다. 곡선(42)은 플랑크 곡선(Planck curve)을 나타낸다. 차량 헤드라이트에 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈(10)을 이용하는 것은, 백색 광을 요구하며, "백색"은 ECE 규제들 및 CIE 표준에 의해 규정된다. 색도 좌표는 바람직하게, 일광-같은 색의 현시(day-like color appearance)를 생성하기 위해 백색 포인트(40)(대략 5500 K 또는 심지어 6500 K까지)에 근접하게 위치된다. 그러므로, 400 내지 480 ㎚ 사이에 있을 수 있는, 방사원(12)으로서 이용되는 레이저의 펌프 파장(pump wavelength)에 따라, 인광체(20)는 570과 590 ㎚ 사이에 센터링되어야 한다. 약 410 ㎚의 펌프 파장을 갖는 570 ㎚는 차가운(cold) 백색 광을 생성하는 경향이 있고, 590 ㎚는 따뜻한(warm) 백색 광을 생성하는 경향이 있다. 다수의 결합들이 예 6에 예로서 플로팅된다. 연결 라인이 백색 필드(38)를 통해 진행하고, 색도 좌표는 거기에 설정될 수 있다.
가장 효율적인 솔루션은 570 ㎚를 갖는 인광체인데, 그 이유는 이것이 V(λ)의 최대치에 있으며 405 ㎚의 레이저 펌프 파장을 이용하여 달성될 수 있기 때문이다.
이용되는 인광체들(20)은 백색 광을 생성하기 위한 발광 다이오드들 용으로 오늘날 이미 이용되는 유형의 것이다. 예를 들어, 인광체(20)는 세륨-도핑 이트륨 알루미늄 가넷 (YAG:Ce) 또는 상이한 농도들의 도핑된 관련된 가넷들이다. 이러한 인광체들(20)의 다양한 실시예들은 EP 1 471 775에서 찾을 수 있다. 이를 테면, 그 자체로 이미 알려져 있으며 백색 광을 생성하도록 혼합하기 위해 이용되는, 다른 통상의 인광체들은 캘사인들(calcines), SCAP-형 인광체들, 니트리도실리케이트들 및 클로로실리케이트들, 옥시니트라이드들 및 실리케이트들, 특히 오쏘실리케이트들(orthosilicates)이다. 이들의 통상의 예들은, 공보들 DE 10 2006 036577, DE 201 15 914 U1, US 2003/146690, WO 2001/040403, WO 2004/030109, DE 10 2007 060 199, DE 103 19 091, 및 DE 10 2005 017 510에 개시되어 있다. 이들 인광체들에 의해, 광 색들, 따뜻한 백색, 차가운 백색, 및 일광-같은 백색이 설정될 수 있으며, 특히 3000 내지 6500 켈빈의 범위의 원하는 색 온도를 갖는 백색 광이 또한 이들 인광체들을 이용하여 생성될 수 있다. 이들의 예들은 DE 10 2004 038 199, WO 00/33389, 및 EP 1 878 063에서 찾을 수 있다.
예를 들어, 질화물들과 같은, 인광체 혼합물(20)에서 적색-방출 인광체들을 이용함으로써, 백색 광이 차량 헤드라이트들을 위해 법적으로 요구되는 5%를 초과하는 적색 컴포넌트를 포함하는 것이 또한 보장된다. 자외선 방사 또는 청색 광을 방출하는 레이저 또는 보다 구체적으로는 레이저 다이오드는 상기 인광체 혼합물(20)을 여기시키기 위한 방사원(12)으로서 이용된다.
그러므로, 원칙적으로, 청색 광 방출 레이저 대신에, UV 방사원이, 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈(10)에서 방사원(12)으로서 또한 이용될 수 있다. 이러한 경우에, 색도 좌표들이 백색 포인트(40)에 관하여 정반대되는(diametrically opposite) 적어도 2개의 상이한 인광체들이 백색 광을 생성하기 위해 요구된다. 이는 향상된 색 품질을 초래하는데, 그 이유는 광의 스펙트럼이 여기 방사원(12)의 펌프 파장에 독립적으로 제어될 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 헤드라이트 모듈(10)을 이용시, 헤드라이트 모듈(10)에 의해 방출되는 광은 바람직하게, 2개의 색 컴포넌트들, 특히 하나 또는 그 초과의 인광체들에 의해 방출된 방사 및 방사원(12)의 방사로 이루어진다. 이는, 방출된 광의 파장이 매우 잘 제어되는 것을 보장하며, 이는 색 제어가 오늘날의 백색 LED들보다 훨씬 단순하다는 것을 의미한다.
3-색 시스템, 예를 들어 적색, 녹색, 및 청색(RGB)을 이용시, 색 품질 즉, 연색 평가 지수(color rendering index)가 매우 향상될 수 있으며, 인광체들에 의해 걸쳐지는(spanned) 전체 색 공간은 상이한 색들을 가변적으로 변조시킴으로써 표시될 수 있다.
자동차 헤드라이트들의 승인을 위해, 법적인 규제들은 범위 설정의 가능성을 요구한다. 종래 기술에서, 헤드라이트의 명/암 경계(HDG)는 지평선 아래 0.57°에 대응하는 1% 만큼 선택적으로 경사지며, 이는 전기 서보모터들, 몇몇 경우들에서는 훨씬 복잡한 스테퍼 모터들이 종래 기술에 따른 헤드라이트에 요구된다는 것을 의미한다. 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈(10)에서, 명/암 경계가 0.1°의 범위 내에서 정확하게 제어될 수 있기 때문에, 이들 서보모터들은 필요없게 될 수 있다. 이는 빔 지향 디바이스를 위한 행 신호의 대응적으로 미세한 조정에 의해 달성될 수 있다. 그러나, 상기 행 신호가 아날로그 신호이기 때문에, 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈(10)을 위한 명/암 경계의 해상도에 관하여 기본적으로 아무런 제한들이 설정되지 않는다. 제어 디바이스(34)의 적합한 작용을 통해, 예를 들어, 차량의 기울기 센서들에 링크되는 자동차의 버스 시스템에 대한 연결을 통해, 더 정확히 말하자면 운전자의 제어 패널에 대한 수동 입력에 의해, 틸팅(tilting)과 동등한 효과가, 본 발명에 따른 헤드라이트 모듈(10)의 빔 지향 디바이스(14)의 적합한 제어에 의해 달성될 수 있다.
게다가, 제어 디바이스(34)는 자동차와 통신을 실패하는 경우에, 범위 설정을 미리규정된 값으로 조절하도록 설계된다. 동시에, 빔 지향 디바이스(14)에 적용된 제어는 바람직하게, 인광체(20)를 보호하기 위해 영구적으로 저장된 광 분배에 의해 정상 하향 빔으로 전환(change over)될 수 있다.
방사원(12)이 실패하거나 또는 부정확하게 또는 저전력으로 동작되는 경우에, 결함이 존재한다는 것을, 통상적으로는 대시보드 상의 대응하는 경고등에 의해 운전자에게 표시하는 것이 또한 제공되며, 이에 의해, 제한된 기능성, 그리고 정비소를 방문할 필요가 있다는 것을 운전자가 인식하게 한다.
빔 지향 디바이스(14)가 실패하는 경우에, 경고 신호가 마찬가지로 운전자에게 제공되고 방사원(12)은 연결해제된다. 마지막으로, 차량이 유지보수를 위해 정비소에 있고 헤드라이트 모듈(10)이 개방되어야 하는 경우에, 방사원을 비활성화시키는 것이 제공되며, 이에 의해 요지보수 요원을 신뢰적으로 보호한다. 마찬가지로, 헤드라이트 하우징이 개방되거나 또는 사고시, 특히 헤드라이트 하우징이 부서지는(cracked) 경우에, 방사원을 스위칭오프하는 안전 디바이스가 또한 제공될 수 있다.
여기 방사원(12)의 출력은 바람직하게, 5 내지 20 W 사이이다.
Claims (19)
- 헤드라이트 모듈(10)로서,
전자기 방사에 의해 광을 방출하도록 여기될 수 있는 적어도 하나의 인광체(20), 및
상기 적어도 하나의 인광체(20)를 여기시키기 위한 적어도 하나의 방사원(12)을 포함하며,
상기 헤드라이트 모듈(10)은,
상기 적어도 하나의 인광체(20)를 위한 적어도 하나의 캐리어 디바이스(18), 및
상기 적어도 하나의 방사원(12)에 의해 방출된 전자기 방사를 상기 적어도 하나의 인광체(20) 상으로 지향시키도록 배치되는 적어도 하나의 빔 지향 디바이스(14)를 더 포함하고,
상기 적어도 하나의 캐리어 디바이스(18)는 투명한 설계를 갖고, 상기 적어도 하나의 인광체(20)에 의해 방출되는 방사를 적어도 부분적으로 반사하도록 설계되는 광학 필터 디바이스(16) 상에 장착되는,
헤드라이트 모듈. - 제 1 항에 있어서,
상기 헤드라이트 모듈(10)은, 상기 적어도 하나의 인광체(20)에 의해 방출되는 방사의 경로에 배치되는 적어도 하나의 적어도 부분적으로 투명한 광학 디바이스(24)를 더 포함하는,
헤드라이트 모듈. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 빔 지향 디바이스(14)는, 상기 적어도 하나의 방사원(12)에 의해 방출되는 방사가 상기 인광체(20) 상에 입사되기 전에, 상기 광학 필터 디바이스(16) 및 상기 캐리어 디바이스(18)를 통과하도록 배치되는,
헤드라이트 모듈. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 캐리어 디바이스(18)는, 상기 적어도 하나의 인광체(20)에 의해 방출되는 방사 및/또는 상기 적어도 하나의 방사원(12)에 의해 방출되는 방사를 반사하도록 설계되는,
헤드라이트 모듈. - 제 5 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 빔 지향 디바이스(14)는, 상기 적어도 하나의 방사원(12)에 의해 방출되는 방사가, 상기 인광체(20)의 상기 캐리어 디바이스(18)로부터 멀리 면하는 상기 인광체(20)의 측 상에 입사되도록 배치되는,
헤드라이트 모듈. - 제 5 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 캐리어 디바이스(18)는 냉각 디바이스(22)에 열적으로 연결되는,
헤드라이트 모듈. - 제 5 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 캐리어 디바이스(18)는 히트 싱크로서 구현되는,
헤드라이트 모듈. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 빔 지향 디바이스(14)는 마이크로미러 디바이스를 포함하는,
헤드라이트 모듈. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 인광체(20)는 상기 캐리어 디바이스(18)의 표면에 대한 코팅으로서 적용되는,
헤드라이트 모듈. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 헤드라이트 모듈(10)은, 상기 적어도 하나의 방사원(12)과 상기 적어도 하나의 빔 지향 디바이스(14) 사이에 배치되는 적어도 하나의 빔 스플리터 디바이스(30)를 포함하는,
헤드라이트 모듈. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 헤드라이트 모듈(10)은, 상기 적어도 하나의 방사원(12) 및/또는 상기 적어도 하나의 빔 지향 디바이스(14)를 위한 제어 디바이스(34)를 더 포함하는,
헤드라이트 모듈. - 제 7 항에 있어서,
상기 헤드라이트 모듈(10)은, 상기 적어도 하나의 방사원(12) 및/또는 상기 적어도 하나의 빔 지향 디바이스(14)를 위한 제어 디바이스(34)를 더 포함하고,
상기 제어 디바이스(34)는, 마이크로미러 디바이스가, 미리규정가능한 공간 위치들 또는 배향들을 취하도록(assume), 상기 마이크로미러 디바이스의 적어도 하나의 마이크로미러를 제어하도록 설계되는,
헤드라이트 모듈. - 제 13 항에 있어서,
상기 제어 디바이스(34)는 상기 적어도 하나의 마이크로미러의 위치 또는 배향에 따라 상기 방사원(12)을 스위칭온 또는 스위칭오프 하도록 더 설계되는,
헤드라이트 모듈. - 제 2 항에 있어서,
상기 광학 디바이스(24)는 적어도 하나의 반사 디바이스를 포함하며,
상기 적어도 하나의 반사 디바이스는, 상기 적어도 하나의 인광체(20)에 의해 방출되는 방사가 상기 적어도 하나의 반사 디바이스 상에 적어도 입사되도록 설계되는,
헤드라이트 모듈. - 제 2 항에 있어서,
상기 광학 디바이스(24)는 적어도 하나의 비구면 렌즈 및/또는 자유형상(freeform) 렌즈를 포함하는,
헤드라이트 모듈. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 방사원(12)은 적어도 하나의 레이저 다이오드 또는 레이저 다이오드 어레이인,
헤드라이트 모듈. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
헤드라이트 하우징이 개방되는 경우, 상기 방사원(12)의 자동 비활성화를 위해 안전 디바이스가 제공되는,
헤드라이트 모듈. - 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 헤드라이트 모듈을 갖는 차량 헤드라이트.
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