KR102294221B1 - 차량용 헤드램프의 광학계. - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 헤드램프의 광학계에 관한 것으로, 광원, 상기 광원에서 조사된 빛을 집중시키는 콜리메이터, 상기 집중된 빛을 반사시키는 자유 곡면 미러(free-form mirror), 상기 자유 곡면 미러에서 반사된 빛을 소정 각도로 변환시키는 복수개의 광변조기(Digital Micromirror Device, DMD)를 포함하는 조명광학계 및 3 내지 8개의 투사렌즈를 포함하는 투사광학계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

차량용 헤드램프의 광학계.{OPTICAL SYSTEM FOR HEAD LAMP OF VEHECLE}

본 발명은 차량용 헤드램프의 광학계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광학거리를 줄여 소형화하면서도 광원 특성이 우수한 차량용 헤드램프의 광학계에 관한 것이다.

최근 개발되는 차량용 헤드램프는 운전자에게 보다 많은 정보를 주어 운전자의 편의성을 높이고 운전 중 불쾌감을 감소시킬 수 있도록 하며, 필요에 따라 조광 거리를 변경하고 운전상황에 맞추어 세분화된 기능을 구현하고 디자인 차별화할 수 있도록 광학계의 크기를 소형화하며 경량화한 제품들을 개발하고 있다.

이러한 성능을 얻기 위해 DMD(Digital Micromirror Device)를 이용한 헤드램프가 제작되고 있는데, 광학계를 소형화하는 경우 광학거리가 줄면서 DMD 영역에 일치하지 않는 경우가 발생하며 초점거리에서 색수차 범위가 증가하는 문제점이 발생하고 있다.

DMD를 장착한 헤드램프의 광학계로는 대한민국 공개특허공보 10-2018-0070750호, 10-2018-0066351호를 들 수 있는데, 이러한 선행기술에서는 광원모듈과 DMD 광학계 및 결상렌즈모듈의 집합체로 구성된 픽셀라이트 모듈이 개시되어 있으나 광학거리를 줄이면 DMD 영역에 일치하지 않게 되는 문제점이 여전히 남아 있다.

또한, 대한민국 등록특허공보 10-1220063호에서는 광원, 리플렉터, DMD로 구성되는 광학계를 통해 광학계의 크기를 소형화하고 있으나, 이러한 경우에도 DMD 영역에 일치하도록 조절하기가 곤란한 문제점이 있어 이를 해결할 수 있는 향상된 광학계의 설계가 필요한 실정이다.

대한민국 공개특허공보 10-2018-0070750호 대한민국 공개특허공보 10-2018-0066351호 대한민국 등록특허공보 10-1220063호

본 발명은 상기와 같은 종래기술을 감안하여 안출된 것으로, 광학거리를 줄여 소형화하면서도 광원 특성이 우수한 차량용 헤드램프의 광학계를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

특히, 자유 곡면 렌즈를 적용함으로써 광변조기 영역에 일치하도록 빛이 입사되어 광원 특성이 우수한 차량용 헤드램프의 광학계를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 차량용 헤드램프의 광학계는 광원, 상기 광원에서 조사된 빛을 집중시키는 콜리메이터, 상기 집중된 빛을 반사시키는 자유 곡면 미러(free-form mirror), 상기 자유 곡면 미러에서 반사된 빛을 소정 각도로 변환시키는 복수개의 광변조기(Digital Micromirror Device, DMD)를 포함하는 조명광학계 및 3 내지 8개의 투사렌즈를 포함하는 투사광학계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 차량용 헤드램프의 광학계는 유효초점거리(Effective Focal Length, EFL)이 49 내지 50㎜일 수 있다.

또한, 상기 광학계는 상기 투사광학계의 투사렌즈 전체 거리의 측정값과 후초점거리(Back Focal Length, BFL)의 합으로부터 구한 광학거리(overall length)가 60㎜ 이하로서 광학거리를 최소화함으로써 광학계를 소형화할 수 있다.

본 발명에 따른 광학계는 광학거리를 줄여 소형화하면서도 광원 특성이 우수하여 차량용 헤드램프에 효과적으로 적용될 수 있다.

특히, 자유 곡면 렌즈를 적용함으로써 광변조기 영역에 일치하도록 빛이 입사되어 차량용 헤드램프의 광학계로서 광원 특성을 향상시키는 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 차량용 헤드램프의 광학계의 단면도이다.
도 2는 조명광학계의 광로를 나타낸 개념도이다.
도 3은 투사광학계의 광로를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명 차량용 헤드램프의 광학계를 나타낸 사시도이다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따른 차량용 헤드램프의 광학계는 도 1에 도시된 바와 같이 조명광학계와 투사광학계로 이루어진다. 즉, 광원, 상기 광원에서 조사된 빛을 집중시키는 콜리메이터, 상기 집중된 빛을 반사시키는 자유 곡면 미러(free-form mirror), 상기 자유 곡면 미러에서 반사된 빛을 소정 각도로 변환시키는 복수개의 광변조기(Digital Micromirror Device, DMD)를 포함하는 조명광학계 및 3 내지 8개의 투사렌즈를 포함하는 투사광학계로 이루어지게 된다. 또한, 상기 콜리메이터는 2개의 콜리메이터 렌즈를 배치함으로써 빛을 집중시키는 효과를 크게 할 수 있다.

상기 광학계는 광변조기로서 DMD를 사용하고 있는데, 이는 초소형 알루미늄 미러가 복수 개 배치되어 상기 마이크로 미러의 표면에 빛이 조사되면 높은 반사율의 빛을 조사할 수 있게 된다. 또한, 광학계를 거친 빛이 투사될 때 선명한 상이 이루어져야 하기 때문에 이를 위하여 DMD의 미러들과 스크린이 1:1로 매칭되어야 한다.

이를 위하여 상기 조명광학계는 자유 곡면 미러와 콜리메이터를 사용하여 광원(LED 광원)의 발광면에서 출사된 빛을 최대량으로 DMD에 전달하되 자유 곡면 미러의 설계에 의하여 입사각도를 크게 하면서도 전달되는 빛의 양을 최대한으로 증가시켜 조명 마진을 확보하고 있다. 또한, 광학계의 소형화를 위하여 광학거리를 최소화하면서도 DMD 영역에 일치하도록 빛이 조사되는 구조로 설계된다.

도 2를 참조하여 상기 조명광학계의 광로를 살펴보면, 광원의 발광면에서 출사된 빛(10)은 2개의 콜리메이터를 통과하면서 집중되며(7), 상기 빛이 자유 곡면 미러에서 반사된 후(6) 다시 미러(3)에서 반사되어 DMD에 조사된다(1). 이때, 상기 콜리메이터의 (8)과 (9)에서의 폭에 따라 빛의 집중되는 정도가 달라지며 자유 곡면 미러의 설계에 의해 입사되는 빛의 영역이 DMD 영역에 일치되도록 할 수 있다.

또한, 상기 투사광학계는 빔프로젝터의 광학계와 유사한 형태로 설계될 수 있는데, 광학계 전체의 무게와 성능을 고려하여 플라스틱 렌즈, 유리 구면 렌즈, 비구면 렌즈를 조합하여 설계하는 것이 바람직하다. 일 실시예에서는 1개의 유리 비구면 렌즈, 1개의 플라스틱 렌즈, 및 3개의 유리 구면 렌즈를 순차 배치하되 도 3에서와 같이 광원의 방향에서부터 제1 유리 구면 렌즈, 제2 유리 구면 렌즈, 유리 비구면 렌즈, 플라스틱 렌즈, 제3 유리 구면 렌즈의 순서로 배치하여 투사광학계를 설계할 수 있다. 특히 비구면 유리 렌즈가 장착됨으로써 도 3에서와 같이 투사광학계에서의 광균일화를 달성할 수 있으며, 이를 통해 밝기를 향상시키고 눈부심을 줄일 수 있게 된다.

상기 투사광학계는 밝기와 고해상도의 성능이 중요하며, 위와 같이 설계된 투사광학계에 대하여 image master를 사용하여 광학 특성을 측정하면 F/#가 0.6173, MTF(on-axis)는 50%, MTF(0.7 Field)는 18%/40%, 상대조도가 38%로서 우수한 광원 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명에 따른 광학계는 광부품과 경통을 조립함으로써 제조될 수 있다. 이 경우 평면부가 길어지면 내면반사가 발생하는 등의 문제점이 발생하므로, 도 4에서와 같이 리테이너 형상으로 경통을 디자인하여 조립 공정의 효율을 높일 수 있다.

본 발명에 따른 광학계에 대한 광학 성능과 환경 신뢰성을 평가를 위하여 아래와 같은 평가항목에 대하여 측정하였다. EFL, F/#, MTF, projection angle은 Image Mater로 측정한 결과이며, KS B ISO 15529에 의거하여 측정하였다. 상기 Image master를 이용하면, EFL이 측정되면서 FOV가 자동 측정되며, BFL 경우 DMD 광학계에서 렌즈가 회전 대칭이 되도록 설계하기 때문에 렌즈 정점을 렌즈별로 확인할 수 있다. 또한, MTF는 광학계를 비축으로 영역을 표시하여 3*3 제어 기준으로 측정하였다.

또한, 주변광량비(relative illumination)은 휘도계를 사용하여 최대 광도 대비 최외각 광량비를 산정하여 측정하였으며, 광학거리(overall length)는 투사광학계의 투사렌즈 전체 거리의 측정값과 Image Master로 측정한 후초점거리(Back Focal Length, BFL)의 합으로부터 구한 값이다.

또한, 환경신뢰성 평가를 위하여 광학계의 내열성, 내한성, 열충격성, 내습성을 측정하였는데, 모두 KS R 1066에 의거하여 측정하였다.

내열성 측정을 위하여 광학계를 항온항습조에 넣은 후 조건 설정하였다. 상기 조건에 따라 항온항습조 가동 후 122시간 동안 Aging하였고, 상기 항온항습조에서 시료를 꺼낸 뒤 1시간동안 방치하였고, 점검부위의 외관을 확인하여 1차 판정을 하였다. 또한, 형합/동작 시험용 지그에 안착 후 형합/동작, 소음 시험법에 준하여 이상 유무를 확인하여 2차 판정을 하였다.

또한, 내한성 측정은 다음과 같이 실시하였다. 광학계를 항온항습조에 넣은 후 조건 설정하고, 상기 조건에 따라 항온항습조 가동 후 122시간 동안 Aging하였다. 이후, 상기 항온항습조에서 시료를 꺼낸 뒤 1시간동안 방치하고 점검부위의 외관을 확인하여 1차 판정을 하였다. 또한, 형합/동작 시험용 지그에 안착 후 형합/동작, 소음 시험법에 준하여 이상 유무를 확인함으로써 2차 판정을 하였다.

또한, 열충격성 측정은 다음과 같이 실시하였다. 광학계를 항온항습조에 넣은 후 조건 설정한 후, 상기 조건에 따라 항온항습조 가동 후 117시간 동안 Aging하였다. 이후, 항온항습조에서 시료를 꺼낸 뒤 1시간동안 방치하고 점검부위의 외관을 확인하여 1차 판정을 하였다. 또한, 형합/동작 시험용 지그에 안착 후 형합/동작, 소음 시험법에 준하여 이상 유무를 확인하여 2차 판정을 하였다.

또한, 내습성 측정은 다음과 같이 실시하였다. 광학계를 항온항습조에 넣은 후 조건 설정하고, 상기 조건에 따라 항온항습조 가동 후 506시간 동안 Aging하였다. 이후, 상기 항온항습조에서 시료를 꺼낸 뒤 1시간동안 방치하고 점검부위의 외관을 확인하여 1차 판정하였다. 또한, 형합/동작 시험용 지그에 안착 후 형합/동작, 소음 시험법에 준하여 이상 유무를 확인함으로써 2차 판정을 하였다.

평가항목	단위	결과
EFL	㎜	50
F/#		1.87
overall length	㎜	50
MTF	%	15(1.0 Field)
relative illumination	%	74(1.0 Field)
projection angle	°	13.98
내열성		1,000hr(at 95℃)
내한성		122hr(at -40℃)
열충격		117hr(at -40℃)
내습성		506hr(at 40℃, 93%RH)

이와 같이 제조된 광학계는 소형화가 가능한 정도로 광학거리를 줄일 수 있는 것으로 나타났으며, 밝기, 광도분포, 광균일화를 구현할 수 있도록 설계된 것으로서 차량용 헤드램프에서 요구하는 기준을 모두 충족시키는 것으로 나타났다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (3)

1. 광원, 상기 광원에서 조사된 빛을 집중시키는 콜리메이터, 상기 집중된 빛을 반사시키는 자유 곡면 미러(free-form mirror), 상기 자유 곡면 미러에서 반사된 빛을 소정 각도로 변환시키는 복수개의 광변조기(Digital Micromirror Device, DMD)를 포함하는 조명광학계; 및
   5개의 투사렌즈를 포함하는 투사광학계;
   로 이루어지는 차량용 헤드램프의 광학계로서,
   상기 투사광학계는 광원의 방향에서부터 제1 유리 구면 렌즈, 제2 유리 구면 렌즈, 유리 비구면 렌즈, 플라스틱 렌즈, 제3 유리 구면 렌즈의 순서로 배치되어 이루어지며,
   상기 차량용 헤드램프의 광학계는 유효초점거리(Effective Focal Length, EFL) 50㎜, F/# 1.87, 광학거리(overall length) 50㎜, MTF 15%, 주변광량비(relative illumination) 74%, projection angle 13.98°인 것을 특징으로 하는 차량용 헤드램프의 광학계.
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