KR102122329B1 - 자동차용 스캐닝 헤드라이트 - Google Patents

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Abstract

자동차용 스캐닝 헤드라이트는 광원과 투영 광학계를 포함하고, 상기 광원은 헤드라이트의 광학 축을 따라 광빔을 형성한다. 또한, 헤드라이트는 이동식 광학 소자를 포함하고, 상기 광학 소자는 광원과 투영 광학계 사이에 배치되며, 광학 축에 대한 이동식 광학 소자의 이동은 광학 축으로부터 광빔의 편향을 야기한다.

Description

자동차용 스캐닝 헤드라이트{SCANNING HEADLIGHT FOR A VEHICLE}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 자동차용 스캐닝 헤드라이트에 관한 것이다.
현재, 픽셀 빔을 위한 고해상도 헤드라이트를 효율적이고, 저렴하며, 자동차에 적합하게 구현할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 이를 위해 고려되는 방법은, 종래의 헤드라이트로 실행될 수 있는 바와 같이 표면을 영구적으로 조명하는 것이 아니라, 사람의 눈으로 이동을 인지할 수 없을 정도로 매우 빠르게, 하나 이상의 광빔을 조명될 표면 위로 방향 조정하는 한편, 조명될 표면에 걸쳐 소정의 강도 분포가 이루어지도록, 이동 중에 광원의 강도를 조정하는 것이다. 이러한 헤드라이트는 스캐닝 헤드라이트라고 한다.
이동식 마이크로 미러에 기초한 스캐닝 헤드라이트들이 공개되어 있다. 이러한 미러는 기술적으로 매우 작게 구현되어야 하는데, 그 이유는 그렇지 않으면 필수적인 빠른 진동이 불가능하기 때문이며, 이 경우 진동이 공진 방식으로 이루어지는지 또는 강제로 이루어지는지는 중요하지 않다. 작은 미러 표면은, 레이저 출력이 높은 경우에 작은 표면에 필연적으로 발생하는 열을 방출할 수 없는데, 그 이유는 이러한 미러의 반사도는 100%보다 작기 때문이다.
또한, 예를 들어 캐셔 시스템(cashier system)에서 사용되는 것과 같은 회전 미러 프리즘들이 공개되어 있다. 이러한 기술에서 거울 반사 표면은, 레이저 출력이 큰 경우에 폐열을 처리할 수 있을 정도로 크다. 그러나 빠르게 회전하는 더 큰 시스템들은 자이로(gyro)를 형성하고, 상기 자이로는 자동차와 같이 매우 자유롭게 이동하는 시스템에서 극한의 힘에 노출되고, 이는 회전하는 기계적 시스템의 빠른 마모를 야기한다.
또한, 이동 가능하게 지지되는 평행 평면 유리 플레이트에 기초한 촬영 렌즈 내의 광학 이미지 안정 장치들(image stabilizer)이 공개되어 있다. 상기 이미지 안정 장치들은 전자 제어식 틸팅에 의해 렌즈를 통과하는 광빔들의 측면 오프셋을 보상한다. 이로 인해 이미지 센서에서 진동으로 인한 이미지의 변위가 저지된다.
간행물 AT 514 333 A4호는 복수의 광원 및 광원과 관련된 광학계를 갖는 차량용 헤드라이트에 관한 것으로, 상기 헤드라이트에 제1 동적 가변 발광 이미지(luminous image)의 형성을 위한 적어도 하나의 광원을 갖는 제1 발광 유닛 및 적어도 하나의 레이저 광원, 적어도 하나의 빔 편향 유닛 및 적어도 하나의 광 변환 유닛을 갖는 제2 레이저 발광 유닛이 제공된다. 광학계는 제1 발광 유닛의 발광 이미지와 제2 레이저 발광 유닛의 광 변환 유닛에서 형성된 발광 이미지를 도로 위의 전체 광 분포로 병합하도록 설정된다.
간행물 DE 10 2012 100 139 A1호는 적어도 하나의 레이저 빔 소스와 적어도 하나의 변환 소자를 갖는, 특히 차량의 헤드라이트용 광 모듈에 관한 것으로, 상기 광 모듈은 레이저 빔 소스에 의해 레이저 빔을 조사할 수 있고, 이로써 차량 조명용으로 적합한 광 스펙트럼을 갖는 광이 변환 소자를 통해 적어도 하나의 빔 형성 부재 내로 방사될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 지지 부재가 제공되고, 상기 지지 부재에 변환 소자가 배치되며, 지지 부재를 포함한 상기 변환 소자는 적어도 빔 형성 부재에 대해 이동 가능하다.
기존의 스캐닝 헤드라이트의 단점은 이동식 미러이다. 전면 헤드라이트를 위해 필요한 광량은, 현재 이용 가능한 미러가 열적으로 과부하를 받지 않으면서 마이크로 미러로 포커싱될 수 없다. 복수의 마이크로 미러의 사용은 시스템을 더 크게, 간섭에 더 민감하게 및 구조적으로 복잡하게, 즉 고가로 만든다. 또한, 빠르게 진동하는 대형 미러의 사용은 자동차 내부에서 기계적 하중으로 인해 문제가 된다.
본 발명의 과제는, 자동차에 적합한 스캐닝 헤드라이트를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제1항의 특징들을 포함하는 헤드라이트에 의해 해결된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들의 대상이다.
본 발명에 따른 자동차용 헤드라이트는 광원과 투영 광학계를 포함하고, 이 경우 광원은 헤드라이트의 광학 축을 따라 광빔을 형성한다. 또한, 헤드라이트는 이동식 광학 소자를 포함하고, 상기 광학 소자는 광원과 투영 광학계 사이에 배치되며, 광학 축에 대한 이동식 광학 소자의 이동은 광학 축으로부터 광빔의 편향을 야기한다. 이러한 방식으로, 광학 소자의 이동에 의해 투영 광학계 이후 광빔의 조절된 스캐닝이 가능해짐으로써, 가변적인 광 분포를 야기하는 것이 가능하다.
바람직하게는 이동식 광학 소자의 이동은 투영 광학계 이후 20°내지 30°범위에서 광빔의 편향을 야기한다. 특히 이동식 광학 소자의 이동은 미리 정해놓은 입체각 내에서 광빔의 스캐닝을 야기한다. 이로 인해, 헤드라이트 전방의 미리 정해놓은 표면이 2D-스캔에 의해 조명되는 것이 보장될 수 있다.
바람직하게는 광학 소자의 이동은 200 ㎐ 내지 400 ㎐의 주파수 범위에서 이루어진다. 이로 인해, 조명될 표면은 사람의 눈이 스캐닝 헤드라이트에 의해 조명되는 표면을 연속 조명으로 인지할 정도로 빨리 스캐닝된다.
더욱 바람직하게는, 이동식 광학 소자는 비접촉식으로 가변 자기장 내에서 지지됨으로서, 필수 주파수로 고속 스캐닝이 간단하게 이루어질 수 있고, 지지부는 마모되지 않는다.
이러한 해결 방법으로 빠르고 간단하게 이동될 수 있는 작은 질량이 얻어지기 때문에, 바람직하게는 이동식 광학 소자는 평행 평면 플레이트에 의해 형성된다.
더 바람직하게는, 평행 평면 플레이트의 이동은 틸팅 각도만큼 광학 축에 대한 평행 평면 플레이트의 틸팅으로 이루어지는데, 그 이유는 평행 평면 플레이트의 틸팅은 기술적으로 간단하게 실시될 수 있기 때문이다.
더 바람직하게는 평행 평면 플레이트는 삼각형 형상을 갖고, 이 경우 삼각형의 평행 평면 플레이트는 모서리에서 현수된다. 이 경우 하나의 현수점은 수동 제어될 수 있고, 다른 2개의 현수점은 능동 제어될 수 있다. 이로 인해 간단한 현수가 이루어질 수 있고, 2D-스캐닝, 즉 입체각의 스캐닝이 2개의 능동 현수점에 의해 규정되어 구현될 수 있고, 이 경우 삼각 플레이트의 위치 및 틸팅은 하나의 수동 현수점으로 인해 2개의 각도에서 항상 조절 가능하다.
바람직한 제2 실시예에서 이동식 광학 소자는 렌즈 시스템에 의해 형성되고, 이 경우 바람직하게 렌즈 시스템의 이동은 광학 축에 대해 수직인 병진 운동으로 이루어진다. 2개의 공간 방향으로 렌즈 시스템의 병진 운동은 마찬가지로 투영 광학계 이후 광빔의 2D-스캐닝을 야기하고, 이 경우 병진 운동은 틸팅 이동보다 간단하게 제어될 수 있다.
더 바람직하게는 광원은 레이저에 의해 형성된다. 이동식 광학 소자의 빠른 이동은 작은 질량에 의해서만 적절하게 이루어질 수 있기 때문에, 광원으로서 양호하게 포커싱될 수 있는 광원만, 즉 특히 레이저 광원만이 고려된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 계속해서 도면으로 참고로 설명된다.
도 1은 광학 소자로서 틸팅 가능한 평행 평면 플레이트를 포함하는 스캐닝 헤드라이트를 도시한 도면.
도 2는 광학 소자로서 이동 가능한 렌즈 시스템을 포함하는 스캐닝 헤드라이트를 도시한 도면.
도 1을 참고로 본 발명에 따른 스캐닝 헤드라이트(1)의 기본적인 작동 원리가 설명되고, 계속해서 도 1의 상부가 다루어진다.
이 경우 스캐닝 헤드라이트(1)는 광원(2), 바람직하게는 레이저 광원을 포함하고, 상기 레이저 광원은 스캐닝 헤드라이트(1)의 광학 축(4)을 따라 광빔(3)을 방사한다. 광빔(3)은 이동식 제1 광학 소자를 통과하고, 상기 광학 소자는 이 실시예에서 대칭 평면(6)을 갖는 평행 평면 플레이트(5)에 의해 구현되고, 상기 대칭 평면(6)은 여기에서 대칭축으로서 도시된다. 도 1의 상부에서 평행 평면 플레이트(5)는 광학 축(4)에 대해 수직으로 배치되고, 즉 평행 평면 플레이트(5)의 대칭 평면(6)은 스캐닝 헤드라이트의 광학 축(4)에 수직으로 배치된다. 따라서 광빔(3)은 평행 평면 플레이트(5)를 편향 없이 통과하고, 광학 소자(5) 뒤에 배치되며 대칭 평면(8)을 갖는 렌즈(7)를 광학 축(4)을 따라 통과하며, 상기 렌즈는 반드시 하나의 렌즈로 이루어지는 것이 아니라, 투영 광학계로서 이용되는 렌즈 시스템에 의해 구현될 수 있다.
도 1의 하부에서 평행 평면 플레이트(5)는 광학 축(4)에 대한 수직선(10)에 대해 각도(9)만큼 틸팅된다. 각도(9)만큼 평행 평면 플레이트(5)의 틸팅은 광학 축(4)으로부터 광학 소자(5)를 통과한 광빔(3)의 오프셋을 야기하므로, 광빔(3)은 중심을 벗어나 렌즈(7)에 입사하여 위로 스캐닝 각도(13)만큼 편향된다. 광학 축(4)으로부터 광빔(3)의 편향은 평행 평면 플레이트로서 설계된 광학 소자(5)의 틸팅 각도(9)의 작용이므로, 틸팅 각도(9)의 스캐닝에 의해 렌즈(7) 이후 틸팅 각도에 따라 광빔(3)의 스캐닝이 이루어지고, 이는 스캐닝 각도(13)로 표시된다. 2개의 공간 방향으로 광학 소자(5)를 통과한 광빔(3)의 스캐닝, 즉 입체각에 걸친 2D-스캐닝은 스캐닝 헤드라이트(1)에 의한 표면의 조명을 가능하게 하는 것이 분명하다.
도 2는 스캐닝 헤드라이트(1)의 제2 실시예를 도시하고, 계속해서 도 1에 따른 실시예와의 차이점만이 설명된다. 이러한 제2 실시예에서 이동식 광학 소자는 렌즈 시스템(11)에 의해 형성되고, 상기 렌즈 시스템은 도 2의 개략도에서 광학 축(4)에 대해 수직으로 위로 및 아래로 병진 운동할 수 있고, 이는 이동 화살표(12)에 의해 상징적으로 도시된다. 도 2의 상부에서 렌즈 시스템(11)은 광학 축(4)에 대해 대칭으로 배치되므로, 렌즈 시스템(11)에서 광빔(3)의 편향이 이루어지지 않고, 광빔(3)은 따라서 스캐닝 헤드라이트(1)의 광학 축을 따라 전파된다.
도 2의 하부에서 렌즈 시스템(11)은 위로 변위된다. 이러한 병진 운동(12)은 광학 축(4)을 따라 입사하는 광빔(3)의 편향을 야기하므로, 광빔(3)은 광학 축(4)을 벗어나서 투영 광학계로서 이용되는 렌즈(7)에 입사하고, 스캐닝 각도(13)만큼 위로 편향된다. 병진 운동(12)에 따라 미리 정해놓은 스캐닝 각도(13)만큼 광빔(3)의 스캐닝이 야기될 수 있다. 병진 운동(12)은 광학 축(4)에 대해 수직인 2개의 공간 방향으로 실시될 수 있기 때문에, 광빔(3)의 2D-스캐닝이 이루어질 수 있다.
전술한 2개의 이동식 광학 소자들, 즉 평행 평면 플레이트(5) 또는 렌즈 시스템(11)에 의해 실시된 편향의 범위는 20°내지 30°이다. 표면의 조명을 실시하기 위해, 틸팅 또는 병진 운동은 약 200 ㎐ 내지 400 ㎐로 이루어지고, 이 경우 사람의 눈은 편향된 개별 광빔들(3)을 식별할 수 없다.
광 분배의 가변성의 특성과 범위에 대한 요구에 따라, 도 1에서 이동식 평행 평면 플레이트(5)로서 및 도 2에서 렌즈 시스템(11)으로서 도시된 이동식 광학 소자들은 물론 도 1 및 도 2에서 렌즈(7)로서 도시된 후속하는 투영 광학계(7)는 복합 광학 시스템일 수 있다.
여기에서 얇은 소형 유리 플레이트 또는 소형 렌즈 시스템의 예에서처럼, 헤드라이트에서 신속한 이동은 당연히 작은 질량에 의해서만 이루어질 수 있기 때문에, 광원으로서 양호하게 포커싱될 수 있는 광원만, 일반적으로 레이저가 고려된다.
이동식 광학 소자(5, 11)는 다양한 방식으로 지지될 수 있다. 가변 자기장 내에서 비접촉식 지지가 최적이다.
이동식 광학 소자(5, 11)는 상이한 형태를 가질 수 있다. 이는 입사- 및 출사면의 형태는 물론 상기 면들의 상호 위치 및 표면 곡률과 관련된다. 모서리에 하나의 수동 및 2개의 능동 현수점을 갖는 삼각형의 평행 평면 플레이트(5)가 최적이다.
평행도는 최소 수차를 보장하는데, 그 이유는 빔 형상이 최대한 유지되기 때문이다. 2개의 능동점과 하나의 수동점에 의한 현수는 최소의 구조적 복잡성과 동시에 2D-편향 가능성을 제공한다.
복수의 광원과 복수의 광학 소자(5, 11)의 사용 시 광학 소자(5, 11) 전방에서 광원들이 통합되어 하나의 빔을 형성할 수 있고, 상기 광학 소자를 함께 통과할 수 있다. 이러한 변형예에서 광학 소자들(5, 11)의 치수는 최소이다. 대안으로서 복수의 광원의 빔들은 동일한 광학 소자들(5, 11)의 상이한 위치를 통과할 수 있다. 이러한 변형예에서 광학 소자들(5, 11)은 더 커지지만, 광학 소자들(5, 11) 전방에서 빔들을 중첩시키는 공정은 생략된다.
예를 들어, 후속해서 확대되어 투영되는, 색 변환을 위한 소형 인광 플레이트가 구조화되어 조명되는 경우처럼, 투영 측에서 최소의 편향만이 필요한 경우에, 빔(3)의 편향의 보강 또는 실행을 위한 광학계는 생략될 수 있다.
전술한 바와 같이 이동식 광학 소자(5, 11)는 평행 평면 플레이트(5)의 이용에 제한되지 않고, 이동식 광학 소자가 기울어지는 것이 아니라, 병진 운동으로 변위되는 렌즈 시스템(11)으로도 출발 광빔(3)의 변위가 가능하다. 이러한 컨셉에서도 고정된 광원(2)의 경우에 기계적으로 변위되는 광학계는 빔 경로의 각도 변동을 야기한다.
1 : 스캐닝 헤드라이트 2 : 광원
3 : 광빔 4 : 광학 축
5 : 평행 평면 플레이트 6 : 대칭축
7 : 렌즈 8 : 대칭축
9 : 변위각 10 : 광학 축에 대한 수직선
11 : 렌즈 시스템 12 : 병진 운동
12 : 스캐닝 각도

Claims (11)

  1. 광원(2)과 투영 광학계(7)를 포함하는 자동차용 헤드라이트(1)로서,
    상기 광원(2)은 상기 헤드라이트(1)의 광학 축(4)을 따라 광빔(3)을 형성하고,
    이동식 광학 소자(5, 11)가 상기 광원(2)과 상기 투영 광학계(7) 사이에 배치되어, 상기 광학 축(4)에 대한 상기 이동식 광학 소자(5, 11)의 이동이 상기 광학 축(4)으로부터 상기 광빔(3)의 편향을 야기하며,
    상기 이동식 광학 소자(5, 11)는 비접촉식으로 가변 자기장 내에서 지지되는 것을 특징으로 하는 헤드라이트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이동식 광학 소자(5, 11)의 이동에 의해 20˚ 내지 30˚의 범위의 광빔의 편향이 야기되는 것을 특징으로 하는 헤드라이트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이동식 광학 소자(5, 11)의 이동은 미리 정해놓은 입체각 내에서 상기 광빔(3)의 스캐닝을 야기하는 것을 특징으로 하는 헤드라이트.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광학 소자의 이동은 200 ㎐ 내지 400 ㎐의 주파수 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 헤드라이트.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이동식 광학 소자(5, 11)는 평행 평면 플레이트(5)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 헤드라이트.
  6. 제5항에 있어서, 상기 평행 평면 플레이트(5)의 이동은 틸팅 각도(9)만큼 상기 평행 평면 플레이트(5)의 틸팅으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 헤드라이트.
  7. 제6항에 있어서, 상기 평행 평면 플레이트(5)는 삼각형 형상을 갖고, 삼각형의 평행 평면 플레이트(5)는 모서리에서 현수되고, 하나의 현수점은 수동 제어될 수 있고, 다른 2개의 현수점은 능동 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 헤드라이트.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이동식 광학 소자(5, 11)는 렌즈 시스템(11)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 헤드라이트.
  9. 제8항에 있어서, 상기 렌즈 시스템(11)의 이동은 상기 광학 축(4)에 대해 수직인 병진 운동(12)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 헤드라이트.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광원(2)은 레이저에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 헤드라이트.
  11. 삭제
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