KR20070108416A - 발광 다이오드 헤드램프 시스템 - Google Patents

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오스람 실바니아 인코포레이티드
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Abstract

차량의 헤드램프(20)는, 로우 및 하이 빔 LED광원(22)의 제1평면 대열(row); LED에서 나온 로우 및 하이 빔 광을 수용하는 제1주 광학 광 가이드; 로우 및 하이 빔 열점의 조합으로 제1주 광 가이드에서 나온 시준된 로우 및 하이 빔 광을 수용하여 집중시키는 제1보조 광학 광 가이드; 로우 및 하이 빔 LED(24)를 가진 LED광원의 제2평면 어레이; 제2LED광원에서 나온 로우 및 하이 빔 광을 수용 및 시준하는 제2주 광학 광 가이드; 시준된 로우 및 하이 빔 광을 수용하여 로우 및 하이 빔 패턴의 조합으로 상기 광을 확산시키는 제2보조 광학 광 가이드, 및; LED어레이, 제1주 광학 광 가이드, 제1보조 광학 광 가이드, 제2주 광학 광 가이드 및, 제2보조 광학 광 가이드를 기구방식으로 지지하는 하우징(60)을 포함한다.
헤드램프, 로우 빔, 하이 빔, LED광원, 광 가이드, LED어레이, 평면 어레이.

Description

발광 다이오드 헤드램프 시스템{LED HEADLAMP SYSTEM}
본원은 2005년 3월 4일, 발명의 명칭 "발광 다이오드 헤드램프 시스템"의 가명세서로 출원된 일련번호 60/658,458호에 기재된 특징 부분을 청구하는 것이다.
본원은 전구, 특히 차량의 헤드램프에 관한 것으로서, 특정적으로는, LED광원을 가진 차량의 헤드램프에 관련한 것이다.
차량의 헤드램프 시스템은 LED광원, 주 렌즈 및 보조 렌즈로 이루어진다. 차량의 헤드라이트 빔은 원거리 도로 중앙부를 비추이는데 필요한 열점(hot spot)을 갖는다. 또한, 도로의 좌우측을 조명하고 신호를 나타내기 위해 상방향으로 조명하는 확산 빔(spread beam)도 있다. 헤드램프 빔은 일반적으로 운전자가 반대방향으로 접근하면서 조작하는 것이다. 따라서, 모든 빔의 특성은 다가오는 운전자가 눈을 감지 않도록 조작되어야 한다. 이러한 눈이 안보이게 하는 작용(blinding)은 하이 빔 모드에서는 피할 수 없는 것이기 때문에, 필수적으로 하이 및 로우 빔 모드가 있어야 한다. 하이 빔 모드는 접근하는 운전자가 없을 때에 취하는 모드 이다. 로우 빔 모드는 접근하는 운전자가 있을 때에 취해서, 상기 열점이 아래로 중앙 설정되거나 도로 측부에 중앙 설정되어야 한다. 유사하게, 확산 빔은 지나치게 밝거나 넓게 확산되지 않아야 한다. 이러한 특징은 일반적으로, 중 심 렌즈를 통해 프로젝터 빔 타입 시스템에서 굴절 또는 광학적 한정 반사경에서 반사되는 광을, 숙련된 광학 설계로 하이 및 로우 빔 필라멘트 또는 아크 방전 위치에서 저지되는 헤드램프 빔으로 하여 이루어진다. LED의 출현으로, LED광원에서 나오는 헤드램프 빔을 형성하는데 관심이 모아져 있다. LED광원은 일반적으로 헤드램프 빔을 형성하는데 필요한 모든 광을 단독적으로 제공하기에 충분한 루멘을 발생하지 않거나 그만한 세기로 출력하지 않는다. 따라서, 당 분야에서는 LED헤드라이트 시스템이 도로 시각성을 개선한 개량이 이루어져야 할 필요가 있었다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 결함을 피하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 LED 헤드라이트 시스템을 향상시키는 것이다.
상기 목적은 본 발명의 일 면에서 다음을 포함하는 차량 헤드램프로 이루어진다. 다음: LED의 로우 빔 서브셋(subset)과 LED의 하이 빔 서브셋을 가진 LED 광원의 제1평면 어레이(planar array); 제1LED광원의 로우 빔 서브셋에서 나온 로우 빔 광을 수용하여 상기 로우 빔 광을 시준(視準)하는 제1주 광학 광 가이드(optical light guide); 제1주 광 가이드에서 나온 시준된 로우 빔 광을 수용하여 로우 빔 열점으로 상기 광을 집중시키는 제1보조 광학 광 가이드; 제1LED어레이의 LED의 하이 빔 서브셋에서 나온 하이 빔 광을 수용하여, 하이 빔 광을 시준하는 제1주 광학 광 가이드; 제1주 광 가이드에서 나온 시준된 하이 빔 광을 수용하여, 로우 빔 열점과 조합된 하이 빔 열점으로 하이 빔 광을 집중 시키는 제1보조 광학 광 가이드; LED의 로우 빔 서브셋과 LED의 하이 빔 서브셋을 가진 LED광원의 제2평면 어레이; 제2LED광원의 로우 빔 서브셋에서 나온 로우 빔 광을 수용하여 상기 로우 빔 광을 시준 시키는 제2주 광학 광 가이드; 제2주 광 가이드에서 나온 시준된 로우 빔 광을 수용하여, 로우 빔 확산 패턴으로 상기 광을 확산 시키는 제2보조 광학 광 가이드; 제2LED어레이의 LED의 하이 빔 서브셋에서 나온 하이 빔 광을 수용하여, 상기 하이 빔 광을 시준 시키는 제2주 광학 광 가이드; 제2주 광 가이드에서 나온 시준된 하이 빔 광을 수용하여, 로우 빔 확산 패턴과 조합된 하이 빔 확산 패턴으로 하이 빔 광을 확산시키는 제2보조 광학 광 가이드, 및; 제1LED어레이, 제2LED어레이, 제1주 광학체(optic), 제1보조 광학체, 제2주 광 가이드 및 제2보조 광학체를 기구방식으로 지지하는(to mechanically support) 하우징.
도1은 LED어레이의 사시도이다.
도2는 로우 및 하이 빔, 열점 광학체의 측면 개요도이다.
도3은 로우 및 하이 빔, 열점 광학체의 상부 개요도이다.
도4는 로우 및 하이 빔, 확산 광학체의 측면 개요도이다.
도5는 로우 및 하이 빔, 확산 광학체의 상부 개요도이다.
도6은 개량된 로우 및 하이 빔, 열점 광학체의 측면 개요도이다.
도7은 개량된 로우 및 하이 빔, 열점 광학체의 상부 개요도이다.
도8은 헤드램프의 전방 개요도이다.
당분야의 기술인이 본 발명을 용이하게 이해할 수 있도록, 본 발명의 부가적 인 목적, 이점 및 작용효과를 첨부 도면을 참고로 하는 실시예를 통해 이하에 기재한다.
도1은 로우 빔 서브셋(14)과 하이 빔 서브셋(16)을 가진 LED어레이(12)의 전방 개요도이다. LED 헤드램프 시스템(20)(도8)은 3개 LED어레이(22, 24, 26)로 이루어진다. 각각의 상기 어레이는 유사한 구조로 이루어지며, 선택된 LED배선은 다른 유닛이 지정한 발광 기능을 하게 동적으로 조명 할 수 있는 것이다. 제1어레이(22)는 로우 및 하이 빔 열점을 형성하는데 전용 된다. 제2어레이(24)는 로우 및 하이 빔 확산을 이루는데 전용 된다. 제3어레이(26)는 전방 조명 시스템(advanced forward lighting systems)의 열점 또는 빔 확산과 같은 추가의 빔 특징을 이루는데 전용 된다. 양호한 LED는 백색이 나타나게 칩 상부면에 인(phosphor)을 코팅한 1㎟ InGaN 청색 LED 칩으로, 각각 대략 60루멘의 백색 광을 나타낸다. LED는 0.2mm 두께이고, 3.5볼트에서 700milliamps로 운영된다. 세라믹 지지 평판(13)은 양호하게 180Watts/미터-켈빈 의 열전도성을 가지고, 1mm 두께인, 질화 알루미늄으로 제조된다. LED는 높은 열전도성의 에폭시를 가진 세라믹에 장착된다. 양호한 에폭시가 북극 은(Arctic Silver)으로 알려져 있으며, 0.1mm의 층 두께를 갖고 그리고 10와트/미터-켈빈 의 열전도성을 갖는다.
LED어레이는 예를 들어, 3 LED 높이와 5 LED 너비를 갖는 구조로 이루어진 평면 어레이로 세라믹 평판(13)에 형성된다. 공지된 LED구성방법으로 어레이를 세라믹 장착하여 전기적 연결하여서 구성한다. LED는 일반적으로 필드 방향으로 세라믹 평판(13)으로부터 전진방향으로 마주하여 조명된다. 양호한 실시예에서, LED 는 전체 광학 효율과 재료 및 공간 절감을 위해 함께 근접한 팩으로 구성된다. 세라믹의 후방측(도시 않음)은 광방출(radiating) 금속제 핑거, 리브(ribs), 핀, 또는 기타 다른 열 소산 특징을 가진 금속 평판과 같은 열 싱크(heat sink)에 결합될 수 있다. 양호한 실시예에서, LED는 대략 X=1㎟이고 그리고 약 Y=0.1mm 정도로 다른 하나에 대해 이격 분리 되어서, 약 (3X + 2Y)x(5X + 4Y)mm이 되는 3x5를 형성한다. 하이 빔 대열(16)은 광학적 이유로 나머지 2개 로우 빔 대열(row)(14)에서 더 멀리 이격되어 확산된다. 양호한 실시예에서, 이러한 길이는 LED어레이의 수직 높이에 더해진 대략 2 또는 3mm 이다.
지지 세라믹 평판(13)은 양호하게, 열 싱킹, 마운팅 및 기타 다른 목적에 맞게 더 대형으로 할 수 있다. LED는 칩-온-보드(chip-on-board) 로서 또는 LED모듈로서 장착된다. LED는 2개 회로 셋에 배열된다. 상부에 2개 대열(14)은 로우 빔 운영용으로 설계되고 그리고 하부 대열(16)은 하이 빔 운영용으로 추가하여 더해지게 설계된다. LED에서 방출된 광은 일반적으로 필드를 향하는 방향으로 향해져서 로우 빔 운영을 위한 상부 2개 대열(14) 또는 하이 빔 운영을 위한 총 3개 대열의 어느 하나로 조명된다.
열점 모듈(22)에서 LED에 의해 방출된 광은 제1주 광학체(30)에 의해 포획된다. 양호하게, 주 광학체(30)는 단일체 광학 광 가이드(31)이고, 일반적으로, 사다리꼴 다각형 관의 형태를 갖는다. 상기 광학체는 광 입력을 위해 LED와 마주하는 신장형 사각 유입 창(32)을 갖는다. 광 가이드는 신장형 사각 유출 창(34)까지 전진 방향으로 연장 형성된다. 상기 유입 창(32)은 유출 창(34)보다 작은 면적으 로 이루어진다. 광 가이드(31)는 편평한 상부(31a)와 저부(31b) 및 우측과 좌측 벽(31c, 31d)을 갖고, 각각은 대략 사다리꼴 형태이다. 단순하게, 소형 유입 창(32)은 유출 창(34)의 약간 더 큰 측부로 유도하는 평면 측 벽으로 둘러싸여 있다. 도시한 바와 같이, 광 가이드(31)는 LED의 로우 빔 셋에 뻗쳐 있게 형성된 제1유입 창(31e)과, LED의 하이 빔 세트에 뻗쳐 있게 형성 위치한 제2유입 창(31f)으로 형성된다. 제1 및 제2유입 창은 이전과 같이 공통 유출 창(34)으로 인도 된다. 로우 및 하이 빔 열점을 형성하는 주 광학체를 분리 제작하여 인접하게 장착시킬 수 있지만, 양호하게 단일 유닛으로 이들을 제작하여 서로에 대해 2개 유닛이 광학적으로 정렬 배치할 필요를 없애었다. 주 광 가이드(31)는 양호한 내부 반사가 이루어지는 성형 유리, 플라스틱(폴리카보네이트 또는 PMMI), 또는 유사한 적절한 청명하고 광 투과성이 좋은 광학 재료로 이루어진다. 상기 플라스틱 중에는 PMMI가 다른 플라스틱과 같이 황색이 없기 때문에 양호한 것이 된다. 일 실시예에서, 로우 빔 주 광 가이드용 유입 창(32)은 6mm x 2.5mm 이고 그리고 하이 빔 주 광 가이드용 유입 창은 6mm x 1.2mm 이다. 양쪽 광학체용의 유출 창(34)은 3mm x 18mm 이다. 유입 창(32)은 유출 창(34)에서 25mm 정도 축선 방향으로 이격져 있다.
제1LED어레이(22)는 로우 및 하이 빔 열점을 생성하도록 설계된 광 가이드(30)를 제공한다. 주 광학 광 가이드(30)를 통해 지나간 후에, 상기 광은 하이 또는 로우 빔 지향 광원의 어느 하나로서 유출 창(34)에서 방출된다. 다음, 상기 광은 보조 광 가이드(38)의 유입부(36)에서 수용된다. 초점 길이(FL)는 양호하게 70 내지 100mm 이다. 보조 광 가이드(38)는 주 광학체의 유출 창과 대면하는 평탄 한 직경 측을 가진 반구형 또는 구형 렌즈이다. 보조 광 가이드는 열점 타겟에 주 광 가이드(30)에서 나온 광을 집중시킨다. 따라서, 제1어레이의 로우 빔 LED에서 나온 광은 주 광 가이드(30)를 통해 보조 광 가이드(38)를 지나가 로우 빔 열점에 집중된다. 제1어레이의 하이 빔 LED에서 나온 광은 주 광 가이드(30)를 통해 보조 광 가이드(38)를 지나가 추가적으로 집중되어 하이 빔 열점을 형성한다. 일 실시예에서, 보조 광 가이드(38)는 100mm의 직경을 가진 구형체 이다.
제2LED어레이(24)는 제2광학 시스템(40)을 제공하여 로우 및 하이 빔 확산 패턴을 생성한다. 제2광학 시스템(40)은 로우 및 하이 빔 확산 패턴을 생성하게 설계된 제2주 광 가이드(42)를 갖는다. 양호한 실시예에서 그리고 전체 비용 면에서 볼 때에, 제2주 광 가이드(42)는 제1주 광학체와 동일하게 하는 것이 바람직하다. 제2주 광 가이드(42)는 제2보조 광 가이드(44)로 시준된 광을 제공한다. 또한, 초점 길이(FL)는 양호하게 70 내지 100mm 이다. 제2보조 광 가이드(44)는, 예를 들어 수평방향 지향 원통형 구간이 수직방향으로 굽어지는 유출 창(48)과 수평방향 신장된 사각형 유입 창(46)을 갖는다. 유입 창(46)은 유출 창(48)보다 작고 그리고 유입 창(46)에서 유출 창(48)으로 인도되는 평탄한 평면 측(49, 50)이 있다. 양호한 제2보조 광 가이드(44)는 제1보조 광 가이드와 동일한 유입 창을 갖는다. 다음, 제2주 광학체의 유입 창 안으로 제2LED어레이에서 나온 광이 수용된다. 이러한 광은 제2보조 광 가이드의 유입 창(46)으로 향해져서, 필드로 직접적으로 제2보조 광 가이드(44)의 유출 창(48)을 통과하여 조명된다. 유출 광은 수평면에 있도록 수직방향으로 집중되지만, 나란하게 집중되지는 않는다. 다음, 방출 광은 열점으로부터 수평적으로 나란하게 확산하면서 열점에 중앙 집중되어, 확산 패턴을 형성한다. 또한, 하이 빔 LED의 서브셋에서 나온 추가 광이 로우 빔 LED의 서브셋에서 광에 더해져서, 로우 빔 확산 패턴을 증강시키어 하이 빔 확산 패턴이 이루어진다.
일 실시예에서, 제2보조 광 가이드는 8mm x 20mm의 유입 창(46)을 갖는다. 유출 창(48)은 120도 각도에 걸쳐, 60mm 반경을 가진 원호 구간이 있다. 이러한 파이 슬라이스(pie slice)는 수평방향으로 20mm 두께 이다.
제3LED어레이(26)에서 나온 광은 제3주 광 가이드(52)에 의해 수용되어, 제1LED어레이에서 나온 광과 같이 대체로 동일한 형태로 보조 광 가이드(54)를 지나간다. 제3LED어레이(26)에서 나온 광은, 차량이 제3LED어레이로 차량의 측부 쪽으로 수평 방향으로 전환되어, 빔에 공급된다. 다음, 이러한 추가 광은 차량의 측부까지 빔 패턴을 연장하여서 전환되어진 도로를 조명한다. 제3LED어레이(26)는 다수의 수평방향으로 배열된 LED가 전환 정도와 이동 속도에 따라 전환되도록 전기적으로 조절된다. 이러한 방식에서는, 로우 빔 열점이 차량이 상기 방향으로 전환 함으로서 빔 패턴의 측부까지 연장된다. 다음, 제3LED어레이(26)에서 나온 광은 차량이 전환되는 상당히 적게 조명을 받는 영역을 비추인다. 유사하게, 하이 빔 열점은 차량의 전환에 대응하여 연장 형성된다. 차량의 반대측에 유사한 헤드램프가 설치되지만, 반대측에 있는 제3LED어레이(26)는 반대 방향으로 전환하기 위해 유사한 하이 및 로우 빔 패턴으로 채워지게 반대적으로 위치하여 전기적으로 배선 되게 있다.
제1LED어레이(22)의 10로우 빔 LED는 로우 빔 열점용으로 대략 600루멘을 제공한다. 5 추가 LED는 하이 빔 열점용으로 대략 300루멘을 제공한다.
제2LED어레이(24)의 10 로우 빔 LED는 로우 빔 확산 패턴용으로 대략 600루멘을 제공한다. 5 추가 LED는 하이 빔 확산 패턴용으로 대략 300루멘을 제공한다.
제3LED어레이(26)의 10 로우 빔 LED는 전방 조명 시스템(AFS: advanced forward lighting system) 로우 빔 열점용으로 대략 600루멘을 제공한다. 5 추가 LED는 AFS 하이 빔 열점용으로 대략 300루멘을 제공한다.
상기 어레이는 적절한 반사체 또는 유사 하우징(60)에 안정적으로 설치된다.
본 발명의 양호한 실시예를 통해서 본 발명을 도시 기술하였지만, 당 분야의 기술인은 첨부 청구범위의 정신을 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 다른 개조 및 변경을 이룰 수 있는 것임을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. 차량의 헤드램프는:
    LED의 로우 빔 서브셋과 LED의 하이 빔 서브셋을 가진 LED광원의 제1평면 어레이;
    제1LED광원의 로우 빔 서브셋에서 나온 로우 빔 광을 수용하여 상기 로우 빔 광을 시준(視準)하는 제1주 광학 광 가이드;
    제1주 광 가이드에서 나온 시준된 로우 빔 광을 수용하여 로우 빔 열점으로 상기 광을 집중시키는 제1보조 광학 광 가이드;
    제1LED어레이의 LED의 하이 빔 서브셋에서 나온 하이 빔 광을 수용하여, 하이 빔 광을 시준하는 제1주 광학 광 가이드;
    제1주 광 가이드에서 나온 시준된 하이 빔 광을 수용하여, 로우 빔 열점과 조합된 하이 빔 열점으로 하이 빔 광을 집중 시키는 제1보조 광학 광 가이드;
    LED의 로우 빔 서브셋과 LED의 하이 빔 서브셋을 가진 LED광원의 제2평면 어레이;
    제2LED광원의 로우 빔 서브셋에서 나온 로우 빔 광을 수용하여 상기 로우 빔 광을 시준 시키는 제2주 광학 광 가이드;
    제2주 광 가이드에서 나온 시준된 로우 빔 광을 수용하여, 로우 빔 확산 패턴으로 상기 광을 확산 시키는 제2보조 광학 광 가이드;
    제2LED어레이의 LED의 하이 빔 서브셋에서 나온 하이 빔 광을 수용하여, 상 기 하이 빔 광을 시준 시키는 제2주 광학 광 가이드;
    제2주 광 가이드에서 나온 시준된 하이 빔 광을 수용하여, 로우 빔 확산 패턴과 조합된 하이 빔 확산 패턴으로 하이 빔 광을 확산시키는 제2보조 광학 광 가이드, 및;
    제1LED어레이, 제2LED어레이, 제1주 광학체, 제1보조 광학체, 제2주 광 가이드 및 제2보조 광학체를 기구방식으로 지지하는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드램프 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 로우 빔 모드에서 로우 빔 열점 측에 그리고 하이 빔 모드에 있을 때에 로우 빔 열점과 하이 빔 열점 측에 대해 수평방향으로 영역을 채우도록, 차례로 AFS 열점 광을 향하는 방향으로 제3보조 광 가이드에 AFS 열점 광을 시준시키는 제3주 광 가이드에 하이 및 로우 AFS열점 광을 제공하는 제3LED 어레이를 부가로 구비하는 것을 특징으로 하는 헤드램프 시스템.
  3. 제3항에 있어서, 제3LED 어레이의 LED의 수평방향 서브셋은 제어 신호에 따라 선택적으로 동작하게 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 헤드램프 시스템.
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