KR102390254B1 - 차량용 레이저 헤드램프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 레이저 헤드램프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드와 대향되게 구비되는 형광체부; 상기 레이저 다이오드와 상기 형광체부 사이에 구비되며, 상기 레이저 다이오드에서 발산된 빔을 수렴받는 제1렌즈부; 상기 레이저 다이오드와 상기 형광체부 사이에 구비되며, 상기 제1렌즈부에서 발산된 빔을 수렴받는 제2렌즈부로 구성되는 차량용 레이저 헤드램프에 관한 것이다.

Description

차량용 레이저 헤드램프{Laser Optical for Head Lamp of Vehicle}
본발명은 차량용 레이저 헤드램프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제1렌즈부와 제2렌즈부를 이용해 로우빔(low beam)에 대응되는 사각형 빔패턴을 만드는 차량용 레이저 헤드램프에 관한 것이다.
일반적으로 차량에는 야간운전중에 보행자 및 다른 차량을 인식하기 위해 차량의 전방을 비추는 헤드램프(head lamp)가 구성된다. 이러한 헤드램프는 빔을 이용하여 차량의 전방을 비추는 것으로, 일반적으로 할로겐, HID(high intensity discharge),LED 다이오드를 광원으로 사용하고 있다. 그러나, 할로겐, HID, LED 다이오드 등은 소비전력이 높기 때문에 광효율이 낮은 단점이 있고, 특히 광원과 렌즈를 포함한 광학계 전체의 사이즈가 커서 디자인 자유도가 낮으며 중량이 무거운 단점이 있다. 이에 따라 최근에는 친환경적이면서 수명이 길고 광효율이 높은 레이저 다이오드를 광원으로 사용하는 헤드램프가 개발되고 있는 추세이다. 특히, 레이저 다이오드를 광원으로 사용하는 헤드램프는 빔의 직진성이 뛰어나 기존의 광원으로 사용되던 할로겐, HID, LED 다이오드 등과 비교하여 2배 더 긴 조사거리를 갖게 된다. 이러한 레이저 타입의 차량용 램프는 빔을 조사하는 레이저 다이오드, 조사된 빔을 집광하는 집광렌즈 및 집광렌즈를 거쳐 집광된 빔을 백색광으로 변환시키는 형광체로 구성되는데, 레이저의 특성상 빔의 직진성이 좋아 집광렌즈를 거친 빔이 형광체로 조사될 때, 가우시안의 빔패턴을 가지게 되게 된다. 이러한 빔패턴은 중앙에서 가장 높은 에너지 밀도를 갖게되며, 이로 인해 형광체의 내열문제가 야기되는 문제점이 있었다.
전술한 문제를 해결하기 위해 본발명은 엑시콘 렌즈를 이용해 가우시안의 빔패턴을 갖는 빔을 top-hat 빔패턴을 갖는 빔으로 전환시키는 차량용 레이저 헤드램프를 제공하고자 한다.
이와 같은 과제를 효과적으로 달성하기 위해 본 발명은, 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드와 대향되게 구비되는 형광체부; 상기 레이저 다이오드와 상기 형광체부 사이에 구비되며, 상기 레이저 다이오드에서 발산된 빔을 통과시키는 제1렌즈부; 상기 레이저 다이오드와 상기 형광체부 사이에 구비되며, 상기 제1렌즈부에서 발산된 빔을 통과시키는 제2렌즈부를 포함하는 차량용 레이저 헤드램프를 제공한다.
이때, 상기 제1렌즈부는 구면렌즈 또는 비구면렌즈일 수 있다.
또한, 상기 제2렌즈부는 엑시콘렌즈일 수 있다.
이때, 상기 엑시콘렌즈는 90~180도의 각을 가질 수 있다.
또한, 상기 제1렌즈부는 상기 레이저 다이오드와 대향되는 면이 평면 또는 비구면으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1렌즈부는 상기 레이저 다이오드와 대향되는 면이 비구면으로 구성되며, 곡률반경이 2~5㎜일 수 있다.
또한, 상기 제1렌즈부는 상기 제2렌즈부와 대향되는 면이 구면 또는 비구면으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1렌즈부는 상기 제2렌즈부와 대향되는 면의 곡률반경이 2~5㎜일 수 있다.
또한, 상기 제2렌즈부는 상기 제1렌즈부와 대향되는 면이 평면 또는 비구면으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제2렌즈부는 상기 제1렌즈부와 대향되는 면이 비구면으로 구성되며, 곡률반경이 250㎜이상일 수 있다.
또한, 상기 제2렌즈부는 상기 형광체부와 대향되는 면이 비구면으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제2렌즈부는 상기 형광체부와 대향되는 면의 곡률반경이 5~20㎜일 수 있다.
또한, 상기 제1렌즈부는 굴절율이 1.4~1.6인 재질로 구성된 렌즈일 수 있다.
또한, 상기 제2렌즈부는 굴절율이 1.4~1.6인 재질로 구성된 렌즈일 수 있다.
또한, 상기 제1렌즈부와 상기 제2렌즈부 사이의 거리는 0~3mm일 수 있다.
또한, 리플렉터를 더 포함하며, 상기 리플렉터는 MFR타입일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 차량용 레이저 헤드램프는 제2렌즈인 엑시콘 렌즈를 이용해 제1렌즈를 통과하여 가우시안 패턴으로 집광되는 빔을 분산시켜 top-hat 패턴으로 변경할 수 있다. 이에 따라, 기존의 레이저 모듈에서 구현이 어렵던 MFR을 활용해서 선명한 빔패턴을 구현할 수 있다.
또한, 본발명의 실시예에 따른 차량용 레이저 헤드램프는 형광체에 걸리는 열부하 정도가 유사하여 기존의 레이저 모듈을 사용할 때와 비교하여 광량 및 휘도를 더 향상시킬 수 있다.
또한, 본발명의 실시예에 따른 차량용 레이저 헤드램프는 형광체 중심부로 빔이 집광이 되는 형태가 아니므로 기존의 레이저 모듈과 비교하여 형광체의 한계 휘도 수준의 영역을 넓히고, 형광체로 조사하는 광량을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량용 레이저 헤드램프를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량용 레이저 헤드램프의 빔의 집광경로를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량용 레이저 헤드램프의 빔패턴을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량용 레이저 헤드램프를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량용 레이저 헤드램프의 제2렌즈부의 집광경로를 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량용 레이저 헤드램프의 빔패턴을 나타낸 도면이다.
먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량용 레이저 헤드램프의 구성을 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 레이저 헤드램프는 레이저 모듈(1)를 포함한다. 구체적으로, 레이저 모듈(1)은 레이저 다이오드(10), 제1렌즈부(20), 제2렌즈부(30) 및 형광체부(40)를 포함하여 구성된다. 이때, 레이저 모듈(1)은 레이저 다이오드(10)에서 발산된 빔의 광축을 중심으로 제1렌즈부(20), 제2렌즈부(30) 및 형광체부(40)의 순서로 배치될 수 있다. 또한, 제1렌즈부(20)와 제2렌즈부(30) 사이는 0~3mm의 간격을 형성하며 배치될 수 있다.
구체적으로 레이저 다이오드(10)는 빛의 직진성이 뛰어난 레이저를 발생시키는 장치로서, 기존의 차량용 램프에 사용되던 할로겐, HID, LED 등과 비교하여 휘도가 높고 주위의 잡음광에 대해서 검지신호 비율이 높은 장점이 있다. 이때, 레이저 다이오드(10)는 파장이 450㎚정도로 짧은 단파장 대역의 블루 레이저(blue laser) 다이오드가 사용될 수 있다.
제1렌즈부(20)는 레이저 다이오드(10)에서 발산된 빔이 가장 처음 입사되는 렌즈로서, 굴절율을 가지는 렌즈로 구성될 수 있다. 이때, 제1렌즈부(20)는 레이저 다이오드(10)에서 발산된 빔이 굴절될 수 있도록 굴절율이 1.4~1.6인 렌즈로 구성된다. 이에 따라, 레이저 다이오드(10)에서 방출된 빔은 제1렌즈부(20)를 거치면서 일정각도로 굴절되어 제2렌즈부(30)로 입사되게 된다.
또한, 제1렌즈부(20)는 구면 또는 비구면 렌즈로 구성될 수 있다.
이때, 제1렌즈부(20)는 레이저 다이오드(10)와 대향되는 제1면과 제2렌즈부(30)와 대향되는 제2면을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1렌즈부(20)의 제1면은 레이저 다이오드(10)로부터 방출된 빔이 입사되는 입사면이고, 제1렌즈부(20)의 제2면은 제1면으로부터 입사된 빔을 제2렌즈부(30)로 방출시키는 출사면이 된다.
이때, 제1렌즈부(20)의 제1면은 평면 또는 비구면으로 구성될 수 있다.
구체적으로, 제1렌즈부(20)의 제1면은 빔의 입사면으로 빔이 입사될 수 있는 형태라면 형태의 제약을 받지않는다. 이에 따라, 제1렌즈부(20)의 제1면을 곡면으로 구성하지 않아도 빔이 입사될 수 있다. 또한, 제1렌즈부(20)는 자체적으로 굴절율을 갖고 있으므로 제1면으로 입사된 빔이 제1렌즈부(20) 내부에서 굴절될 수 있다. 이에 따라, 제1렌즈부(20)의 제1면은 평면 도는 비구면으로 구성될 수 있다. 한편, 제1면이 비구면으로 구성될 경우, 제1면의 곡률반경은 2~5㎜로 구성될 수 있다.
또한, 제1렌즈부(20)의 제2면은 구면 또는 비구면으로 구성될 수 있다.
구체적으로, 제2면은 빔의 출사면으로 제1면으로 입사된 빔이 제1렌즈부(20)의 내부를 통과하면서 굴절되어 방출되면, 이 방출된 빔이 제2렌즈부(30)로 용이하게 입사되도록 시키는 역할을 한다. 이에 따라, 제2면은 제1렌즈부(20)의 내부에서 굴절되어 발산되던 빔을 집광시킬 수 있도록 곡면으로 구성되어야 한다. 즉, 제2면은 곡면이 있는 구면 또는 비구면으로 구성될 수 있다. 이때, 제2면의 곡률반경은 2~5㎜로 구성될 수 있다.
제2렌즈부(30)는 제1렌즈부(20)를 통과한 빔이 입사 및 굴절되는 렌즈로서, 제1렌즈부(20)와 동일하게 굴절율을 가지는 렌즈로 구성될 수 있다. 이때, 제2렌즈부(30)의 굴절율은 1.4~1.6으로 구성될 수 있다. 이에 따라, 제1렌즈부(20)에서 방출된 빔이 제2렌즈부(30)를 거치면서 일정각도로 굴절되게 된다.
또한, 제2렌즈부(30)는 비구면 또는 엑시콘 렌즈(axicon lens)로 구성될 수 있다. 이때, 제2렌즈부(30)는 제1렌즈부(20)와 대향되는 제3면과 형광체부(40)와 대향되는 제4면을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제2렌즈부(30)의 제3면은 제1렌즈부(20)로부터 방출된 빔이 입사되는 입사면이고, 제2렌즈부(30)의 제4면은 제3면으로부터 입사된 빔을 형광체부(40)로 방출시키는 출사면이 된다.
한편, 제2렌즈부(30)는 로우빔(low beam)에 어울리는 사각빔패턴을 구현하기 위해서 한쪽 면만 엑시콘 성질을 갖도록 구성된다. 이에 따라, 제2렌즈부(30)의 제3면은 평면 또는 비구면으로 구성되고, 제2렌즈부(30)의 제4면은 엑시콘 성질을 가지는 비구면으로 구성될 수 있다. 이때, 제3면이 비구면으로 구성될 경우, 입사된 빔의 변화를 최소화하기 위해, 평면과 가까운 형태로 구성될 수 있다. 즉, 제3면은 곡률반경이 250㎜이상으로 구성될 수 있다. 또한, 제4면은 90~180도의 엑시콘 각을 갖도록 구성될 수 있으며, 곡률반경은 5~20㎜으로 구성될 수 있다.
이때, 제2렌즈부(30)에 입사된 빔은 제4면을 통과하면서 굴절되어 일정부분 중첩현상이 발생되게 된다. 이때, 중첩된 부분은 각각의 빔이 갖고 있는 빔의 세기가 중첩되면서 증폭되므로, 선명한 빔 패턴을 형성할 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 제2렌즈부(30)에서 방출되는 빔의 형태가 모자형태인 top-hat형태로 구성될 수 있다. 특히, top-hat 빔 패턴은 전반적인 열부하가 유사하기 때문에, 기존의 레이저 모듈에서 구현되던 가우시안 빔 패턴과 비교하여 같은 열부하 하에서 광량 및 휘도를 더 향상시킬 수 있다. 또한, 동일한 형광체를 사용할 경우, 가우시안 빔 패턴의 경우 LD수를 증가시켜도 중심부에 에너지 밀도가 집중되어 한계 휘도의 영역이 좁으므로 광량을 증가시키기 어려운 반면에 top-hat 빔 패턴의 경우, 한계 휘도 수준의 영역을 넓히고 광량을 더 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 상술한 빔 패턴은 후술할 형광체부(40)로 입사되는 빔 중 중첩되는 부분을 제외한 부분은 빔 패턴이 흐릿하게 구현될 수 있다. 이에 따라, 일정 형태의 빔 패턴을 선명하게 형성할 수 있는데, 특히, 컷오프(Cut-off)를 형성하는 사각빔 패턴을 용이하게 구현할 수 있다. 이에 따라, 기존의 레이저 모듈에서 구현하기 어렵던 리플렉터의 MFR타입을 활용해서도 샤프(Sharp)한 빔 패턴을 구현할 수 있다. 구체적으로 기존의 리플렉터의 MFR타입의 경우, 이미지를 날려 패턴을 형성하기 때문에 선명한 빔 패턴이 형성되지 않으면 컷오프 구현이 어려워 기존의 레이저 모듈로 형성된 흐릿한 빔 패턴으로는 빔 패턴을 형성하기 어려웠기 때문에 기존의 레이저 모듈에는 활용되지 못하였다. 반면에 본 발명에 레이저 모듈의 경우, 엑시콘 렌즈를 구비하여 상술한 바와 같이 선명한 빔 패턴을 형성하므로, 기존의 리플렉터의 MFR타입을 활용해서도 선명한 빔 패턴을 구현할 수 있는 장점이 있다.
한편, 하이빔(high beam)에 어울리는 top-hat 빔 패턴을 구현하기 위해서는 로테이셔널(rotational)한 엑시콘 렌즈를 사용하여야 한다. 이때, top-hat 빔 패턴은 원형으로 형성될 수 있으며, 대칭적인 빔 패턴을 형성할 수 있다.
형광체부(40)는 레이저 다이오드(10)로부터 발산된 블루 레이저빔을 백생광의 형태로 변환시키는 구성이다. 이때, 형광체부(40)는 제1렌즈부(20) 및 제2렌즈부(30)를 거친 블루 레이저빔을 용이하게 수렴할 수 있도록 제1렌즈부(20) 및 제2렌즈부(30)의 면적보다 넓게 형성될 수 있다.
다음으로 본 발명의 바람직한 실시예예 따른 차량용 레이저 헤드램프의 작동방법을 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 광학 모듈(1)은 레이저 다이오드(10), 제1렌즈부(20), 제2렌즈부(30), 형광체부(40) 순으로 배치된다. 레이저 다이오드(10)는 광원으로 블루 레이저빔을 형성하여 제1렌즈부(20)로 발산시킨다. 레이저 다이오드(10)에서 발산된 블루 레이저빔은 제1렌즈부(20)의 제1면으로 입사되게 된다. 이때, 블루 레이저빔은 제1렌즈부(20)의 자체 굴절율에 의해서 내부에서 굴절되어 발산하게 된다. 제1렌즈부(20) 내부에서 굴절된 블루 레이저빔은 제1렌즈부(20)의 제2면에 의해서 집광되어 제2렌즈부(30)로 입사되게 된다. 이때, 제1렌즈부(20)의 제2면에 의해서 집광된 빔은 가우시안 빔 분포를 형성하며, 제2렌즈부(30)로 입사되게 된다. 제2렌즈부(30)의 제3면으로 입사된 빔은 제2렌즈부(30)의 내부에서 굴절되게 된다. 제2렌즈부(30)의 제3면으로 입사된 빔은 제2렌즈부(30)의 내부를 거쳐 제2렌즈부(30)의 제4면으로부터 방출되게 된다. 이때, 제2렌즈부(30)의 제4면으로부터 빙출된 빔은 각각의 빔이 일정 거리에서 일부 중첩되게 된다. 이로 인해, 블루 레이저 빔은 top-hat 빔 분포를 형성하게 되며, 일부 중첩되는 빔들은 빔의 세기가 증폭되어 선명한 빔을 형성하게 된다. 이에 따라, 빔이 다수로 중첩되는 부분은 일정형태를 형성하게 된다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드(10)에서 발산된 빔이 제1렌즈부(20)와 제2렌즈부(30)를 거쳐 형광체부(40)로 입사될 때, 사각빔의 형태로 입사될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 레이저 모듈 10: 레이저 다이오드
20: 제1렌즈부 30: 제2렌즈부
40: 형광체부

Claims (16)

  1. 레이저 다이오드;
    상기 레이저 다이오드와 대향되게 구비되는 형광체부;
    상기 레이저 다이오드와 상기 형광체부 사이에 구비되며, 상기 레이저 다이오드에서 발산된 빔을 통과시키는 제1렌즈부; 및
    상기 레이저 다이오드와 상기 형광체부 사이에 구비되며, 상기 제1렌즈부에서 발산된 빔을 통과시키는 제2렌즈부;를 포함하며,
    상기 제2렌즈부는 가우시안 빔패턴을 갖는 빔을 top-hat 빔패턴을 갖는 빔으로 전환가능하게 상기 형광체부와 대향되는 제4면이 엑시콘 성질을 가지는 비구면으로 구성되고,
    가우시안의 빔패턴을 갖는 빔은, 상기 제4면을 통과하면서 굴절되어, 상기 형광체부로 진행되는 중에 top-hat 빔패턴을 형성하며 적어도 일부가 중첩되고, 중첩된 빔 부분은 사각빔의 형태를 이루어 상기 형광체부로 입사되는 것을 특징으로 하는 차량용 레이저 헤드램프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1렌즈부는 구면렌즈 또는 비구면렌즈인 것인 차량용 레이저 헤드램프.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제4면은 90~180도의 각을 갖는 것인 차량용 레이저 헤드램프.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1렌즈부는 상기 레이저 다이오드와 대향되는 면이 평면 또는 비구면으로 구성되는 것인 차량용 레이저 헤드램프.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1렌즈부는 상기 레이저 다이오드와 대향되는 면이 비구면으로 구성되며, 곡률반경이 2~5㎜인 것인 차량용 레이저 헤드램프.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1렌즈부는 상기 제2렌즈부와 대향되는 면이 구면 또는 비구면으로 구성되는 것인 차량용 레이저 헤드램프.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1렌즈부는 상기 제2렌즈부와 대향되는 면의 곡률반경이 2~5㎜인 것인 차량용 레이저 헤드램프.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2렌즈부는 상기 제1렌즈부와 대향되는 면이 평면 또는 비구면으로 구성되는 것인 차량용 레이저 헤드램프.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2렌즈부는 상기 제1렌즈부와 대향되는 면이 비구면으로 구성되며, 곡률반경이 250㎜이상인 것인 차량용 레이저 헤드램프.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2렌즈부는, 상기 제4면의 곡률반경이 5~20㎜인 것인 차량용 레이저 헤드램프.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1렌즈부는 굴절율이 1.4~1.6인 재질로 구성된 렌즈인 것인 차량용 레이저 헤드램프.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2렌즈부는 굴절율이 1.4~1.6인 재질로 구성된 렌즈인 것인 차량용 레이저 헤드램프.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1렌즈부와 상기 제2렌즈부 사이의 거리는 0~3mm인 것인 차량용 레이저 헤드램프.
  16. 제1항에 있어서,
    리플렉터를 더 포함하며, 상기 리플렉터는 MFR타입인 것인 차량용 레이저 헤드램프.

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