KR20080075553A - 하향-빔 기능을 갖는 차량 헤드라이트용 ｌｅｄ 콜리메이터소자, 및 조명 유닛 - Google Patents

하향-빔 기능을 갖는 차량 헤드라이트용 ｌｅｄ 콜리메이터소자, 및 조명 유닛 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광원의 최소한 한 구역으로부터 최소한 한가지 색의 가시광을 방출하는 하향-빔 기능을 갖는 차량 헤드라이트용 LED 콜리메이터 소자에 관한 것이다. LED 콜리메이터 소자(1)는 동작시에 방출된 광의 주된 부분이 LED 콜리메이터 소자(1)의 방사 각도 범위 내에서 직접 방출될 수 있는 그러한 광원으로서 최소한 하나의 LED(2)를 갖고, LED 콜리메이터 소자(1)의 방사 각도 범위 내에서 방출되지 않는 광을 방사 각도 범위 내로 편향시키는 콜리메이터(3)를 포함하며, LED 콜리메이터 소자(1)는 정의된 비균일 휘도 분포가 콜리메이터 절단 평면(4)에 관해 그리고 LED 콜리메이터 소자(1)의 주요 방사 방향에 관해 직각으로 정의된 LED 콜리메이터 소자(1)의 방사 평면에서 달성가능한 방식으로, 최소한 콜리메이터 절단 평면(4)에 관하여 비대칭으로 구성되며, 최소한 하나의 필터(12)는 하향-빔 기능을 실현할 때, 명암 분리의 아래에 놓이는 교통 공간의 영역이 상이한 색들의 가시광으로 정의된 영역들 내에서 비추어질 수 있는 방식으로, 최소한 콜리메이터(3)의 한 구역 내에 배열된다.
Figure P1020087016762
콜리메이터, LED, 하향 빔 기능, 2차 광학계, 휘도 분포, 반사기

Description

하향-빔 기능을 갖는 차량 헤드라이트용 ＬＥＤ 콜리메이터 소자, 및 조명 유닛{LED COLLIMATOR ELEMENT FOR A VEHICLE HEADLIGHT WITH A LOW-BEAM FUNCTION}
본 발명은 광원의 최소한 한 구역으로부터 최소한 한가지 색의 가시광을 방출하는 하향-빔 기능을 갖는 차량 헤드라이트용 LED 콜리메이터 소자에 관한 것이다.
이 응용 분야에서 지금까지 사용해온 그러한 차량 헤드라이트용 램프는 백열등, 특히 하나 또는 두 개의 필라멘트를 갖는 할로겐 램프, 또는 고압 가스 방전 램프이다.
일반적으로, 차량 헤드라이트는, 한편으로는 상향 빔, 다른 한편으로는 하향 빔이라 칭해지는 광을 발생시킨다. 상향 빔은 교통 공간의 최대 조도를 제공한다. 이에 반해, 하향 빔은 차량 조향 핸들의 관점에서의 최적 조도와, 다가오는 차량의 최소 눈부신 빛 사이에서 절충 상태를 만들어낸다. 조명 패턴은 하향 빔을 위해 지정되는데, 정상 조건하에서, 직선 도로상에서 다가오는 차량이 눈부시지 않도록 하기 위해, 수평선 위의 헤드라이트의 방사 평면에서 입사 광 방사가 없고, 즉 헤드라이트가 예리한 명암 분리(bright-dark cut-off)를 형성해야 한다. 그러나, 헤드라이트는 명암 분리의 바로 아래의 구역과 함께 차량으로부터 최대 거리에 있는 교통 공간을 조명하도록 되어 있으므로, 헤드라이트의 최고 강도는 명암 분리에서 직접 이용할 수 있어야 한다.
본 발명과 관련하여, 하향 빔 기능을 갖는 차량 헤드라이트는 명암 분리를 생성하는 모든 헤드라이트, 예를 들어 순수 하향 빔 헤드라이트, 결합된 상향 및 하향 빔 헤드라이트, 순수 안개 헤드라이트, 결합된 하향 빔 및 안개 헤드라이트뿐만 아니라 곡선 조명 헤드라이트이다.
청색 광은 교통 공간 내의 장애물, 예를 들어 교통 표지판에 대해 더 잘 반사되고, 따라서 각자의 교통 공간을 비추는 차량의 운전자에 의해 더욱 잘 또는 더욱 쉽게 관찰될 수 있으므로, 이것은 교통 안전을 매우 향상시킬 수 있다는 것이 알려져 있다. 이에 반해, 황색 광은 다가오는 차량의 운전자 부분에서 낮은 눈부신 빛 감도를 유발한다. 따라서, 명암 분리 위에서의 광의 색이 또한 중요하다. 이 광은 주로 제어되지 않은 산란 광선으로 이루어져 있기 때문에, 종종 미광(stray light)으로 표시된다. 따라서, 특히 자동차 헤드라이트로서의 응용을 위해, 조명 메커니즘의 두 가지 실질적인 특성이 필요한데: 한편으로는, 조명 소스가 조명 소스로부터 약 75m 거리의 영역을 고강도로 조명할 수 있어야 하고, 다른 한편으로는, 조명 소스가 잘 조명된 공간과 그 뒤의 어두운 구역 사이에서 예리한 명암 분리를 이루어야 하고, 즉 정의된 비균일 분포 조명 방사를 발생시킬 수 있어야 한다. 차량에 더 가까운 도로 지역의 방향에서, 더 작은 강도를 갖는 광이 방사될 것이다. 그렇지 않으면, 헤드라이트로부터의 더 짧은 거리로 인해, 너무 높은 강도의 조명이 거기에 발생될 수 있다. 잘 조명된 영역에서의 충분한 강도는 조명 소스의 휘도 및 협력 광학계의 효율에 직접 비례한다. 그러나, 정의된 비균일 분포 조명 방사, 특히 예리한 명암 분리를 생성하는 것은 설계 과제이다.
원칙적으로, 도로의 양호한 조명이 있는 밝은 지역과, 다가오는 차량의 눈부심이 최소가 되는 그 위의 어두운 지역으로의 명백한 분리가 요구되긴 하지만, 예를 들어, 도로 표지판 또는 앞에서 주행하는 차량의 후방 반사판, 또는 도로 제한사항 게시판을 인식하기 위해, 어두운 지역에서도 약간의 조명이 필요하다는 것이 고려되어야 한다. 게다가, 너무 강한 대조는, 예를 들어 물체 및 표지가 시야에 너무 갑자기 나타나기 때문에, 운전자에게 불쾌하다. 다가오는 차량에 대해, 예리한 명암 분리는 피할 수 없는 도로의 울퉁불퉁함 및 구부러짐의 경우에 눈이 갑자기 최대 강도로 타격을 받을 때 불쾌하다. 여기에서, 유연한 명암 분리는 그 효과를 어느 정도까지 완화할 수 있다.
명암 분리를 유연하게 하는 한 가지 가능성은 프로젝션 시스템에서의 다이어프램(diaphragm)의 퍼지(fuzzy) 이미지이다. 그러한 퍼지 이미지는 또한 LED 콜리메이터(collimator) 소자를 사용하는 헤드라이트 시스템에서 사용될 수 있다. 그러나, 이 방법에서는, 제어하기 어려운 원하지 않는 색 줄무늬가 종종 프로젝션 헤드라이트 시스템에서의 명암 분리를 따라 결과적으로 생긴다.
하향 빔 기능을 갖는 차량 헤드라이트용 램프는 WO 2004/053924 A2에서 알려져 있으며, 이 램프는 외부 엔벨로프(envelope)의 다수의 구역으로부터 최소한 상이한 색들의 가시광을 방출한다. 하향 빔 기능이 실현될 때, 명암 분리의 위에 놓이는 교통 공간의 최소한 그 영역이 부분적인 코팅에서 산란되는 가시적인 유색 광 으로 최소한 부분적으로 조명될 수 있는 반면에, 이와 동시에 명암 분리의 아래에 놓이는 교통 공간의 그 영역이 정의된 영역에서 상이한 색의 가시광으로 조명될 수 있도록, 최소한 부분적인 코팅이 이 외부 엔벨로프 상에 제공된다. 이 방법은 백열등, 특히 하나 또는 두 개의 필라멘트를 갖는 할로겐 램프, 또는 고압 가스 방전 램프와 같은 램프와 관련된다.
LED 소자의 설계는, 예를 들어 자동차용 하향 빔 기능을 갖는 헤드라이트로서 사용되기에 충분한 휘도를 갖는 LED 소자가 가까운 미래에 사용될 수 있을 것이라는 사실에 기인했다.
LED를 사용하는 램프 시스템에서, 우리는 특히 다수의 LED를 배열하고 그들의 조명 이미지를 중첩함으로써 강도 문제를 해결하고자 시도한다. 그러한 배열은 US 2003/019806 A1에서 알려져 있다. 이 문서에 따르면, 다수의 LED는 서로 인접하여 배열되는데, 이것은 그들의 작은 공간 요구조건 때문에 용이하게 가능하고, 자동차 헤드라이트의 새로운 설계로 이어진다. 반사기는 각각의 개별 LED 위에 배열되는데, 이 반사기가 방사 방향으로 본질적으로 직각인 LED에 의해 방출된 광을 편향시킨다. LED 뒤에 방사 방향으로 배열되는 도광 에지(light-guiding edge)와 함께, 반사기는 예리한 명암 분리를 갖는 조명 이미지를 생성하는데, 이 조명 이미지는 프로젝션 렌즈에 의해 다른 조명 이미지와 중첩되어 교통 공간 내에 비추어진다. 이 구성은 실제적으로 LED에 의해 방출된 전체 방사선은 2차 광학계에 도달하기 전에 최소한 한번 반사된다는 결점이 있다. 그러나, 각각의 반사는 또한, 결국 발광 효율의 소정의 손실을 의미하므로, 이 조명 시스템의 출력을 감소시킨다.
하향 빔 기능을 실현하는 동안, 정의된 다색화(multi-colored) 방식으로 명암 분리 아래의 교통 공간을 조명하고, 명암 분리 바로 아래에서 양호한 조명을 달성하는 램프, 특히 LED를 사용하는 램프가 필요하다.
본 발명의 목적은 산업상의 대량 제조 공정에서 효율적으로 제조될 수 있고, 하향 빔 기능을 실현함으로써, 정의된 다색화 방식으로 최소한 명암 분리 아래의 교통 공간을 조명하고, 명암 분리 바로 아래에서 양호한 조명을 달성하며, 따라서 도로 안전성을 증가시킬 수 있게 하는 LED 콜리메이터 소자뿐만 아니라 그러한 LED 콜리메이터 소자를 갖는 조명 유닛을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 1항의 특유의 특징에 의해 달성된다.
본 발명의 본질적인 실시양상에서, LED 콜리메이터 소자는 동작시에 방출된 광의 주된 부분이 LED 콜리메이터 소자의 방사 각도 범위 내에서 직접 방출될 수 있는 그러한 광원으로서 최소한 하나의 LED를 갖고, LED 콜리메이터 소자의 방사 각도 범위 내에서 방출되지 않는 광을 방사 각도 범위 내로 편향시키는 콜리메이터를 포함하며, LED 콜리메이터 소자는 정의된 비균일 휘도 분포가 콜리메이터 절단 평면에 관해 그리고 LED 콜리메이터 소자의 주요 방사 방향에 관해 직각으로 정의된 LED 콜리메이터 소자의 방사 평면에서 달성가능한 방식으로, 최소한 콜리메이터 절단 평면에 관하여 비대칭으로 구성되며, 최소한 하나의 필터는 하향-빔 기능을 실현할 때, 명암 분리의 아래에 놓이는 교통 공간의 영역이 상이한 색들의 가시광으로 정의된 영역들 내에서 비추어질 수 있는 방식으로, 최소한 콜리메이터의 한 구역 내에 배열된다.
이 경우에, LED 콜리메이터 소자는 정의된 비균일 휘도 분포가 콜리메이터 절단 평면에 관해 그리고 LED 콜리메이터 소자의 주요 방사 방향에 관해 직각으로 정의된 LED 콜리메이터 소자의 방사 평면에서 달성되는 방식으로, 최소한 콜리메이터 절단 평면에 관하여 비대칭으로 구성된다.
방사 각도 범위는 원하는 방향의 조명을 생성하기 위해 콜리메이터로부터의 광이 방사되는 각도 범위이다. 관련 방사 각도 범위는 본질적으로 2차 광학계의 검출 영역이다. 광의 가장 많은 부분이 방사되는 방사 각도 범위 내의 방사 방향은 LED 콜리메이터 소자의 주요 방사 방향으로서 이해된다. 콜리메이터 절단 평면은 LED 콜리메이터 소자의 주요 방사 방향으로 놓이게 되고, 또한 LED 소자를 절단한다. 방사 평면은 실제로 LED 콜리메이터 소자를 통해 콜리메이터 절단 평면에 직각으로 연장하고, 일반적으로 2차 광학계의 광 입사각에 평행하다. 그것은 대개 콜리메이터의 애퍼추어와 일치하는 기하학적 영역을 나타낸다.
"콜리메이터"는 방사 각도 범위에서 직접 방사되지 않는, 대체로 LED 소자의 전체 광을 검출하는 반사 표면을 의미하는 것으로 이해된다. 반사기와 대조적으로, 콜리메이터는 LED 칩과 직접 접해 있다. LED 칩의 제조 동안 허용오차를 고려하기 위해, 콜리메이터는 LED로부터 짧은 거리에, 예를 들어 약 0.5 mm에, 양호하게는 그 바로 아래에 놓이게 될 수 있다.
"비균일 휘도 분포"는 상이한 영역에서 상이한 휘도 레벨을 갖는 방사 평면에서의 휘도 분포를 의미하는 것으로 이해된다.
본 발명과 관련하여, "필터" 또는 "필터 소자"는 광 통과 동안 상이한 특성을 갖는 광학적으로 활성인 매체를 의미하는 것으로 이해된다. 이들 특성은 특히, 비제한적으로, 각각의 광선의 파장에 의존한다. 이들 필터는 특히 파장-의존 흡수, 투과 또는 반사 필터일 수 있다. 이들은 얇은 층들(간섭 필터)의 형태로 또는 볼륨 필터로서 설계될 수 있다. 필터는 광선의 방향을 본질적으로 영향을 받지 않는 상태로 되게 하거나, 또는 예를 들어, 산란에 의해 더 많거나 더 적게 변화시킬 수 있다. 스펙트럼 특성뿐만 아니라 산란 동작은 필터의 표면 또는 볼륨을 통해 변화시킬 수 있다.
필터는 특히 투명 캐리어 상에 적용되거나 그 안에 통합될 수 있는데, 캐리어는 콜리메이터의 단부를 형성하고, 콜리메이터 출구면 또는 콜리메이터 애퍼추어에 놓이게 된다. 부분적으로만 조명되는 반투명 (산란) 필터는 특히 유연한 명암 분리를 생성하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 한 실시양상은 콜리메이터의 방사 각도 범위에서 LED 소자에 의해 방출된 광의 주된 부분을 편향시키는 본 분야의 상기 설명된 상태에서 사용된 이 원리에서 벗어나서, 그 대신에, 직접 LED 소자에 의해 방출된 광을 기본적으로 이용하고, 그 광을 예를 들어, 2차 광학계 내로 직접 안내하는 원리를 따른다. 이것은 반사에 의해 실현되어야 하는 임의의 편향이 발광 효율의 손실을 초래한다는 인식에 기초한 것이다.
본 발명과 관련하여, LED 소자는 무기 고상 LED인 것으로 추정되는데, 그 이유는 이들이 충분한 강도로 현재 이용가능하기 때문이다. 이들은 물론, 충분한 전력 값을 갖는 한에서, 그외 다른 전자발광 소자, 예를 들어 레이저 다이오드, 기타 발광 반도체 소자 또는 유기 LED일 수도 있다.
본 발명과 관련하여, "LED" 또는 "LED 소자"는 따라서, 임의 유형의 대응하는 전자발광 소자의 동의어로서 고려된다. LED 소자의 성분은 또한 생성된 광 또는 전체 광의 일부를 상이한 파장을 갖는 광으로 변환시키는 분말 또는 결정 형태의 발광 물질일 수 있다.
예를 들어, 독일과 같이 우측 통행을 하는 나라에서, 본 발명에 따른 LED 콜리메이터 소자는 차량의 운전 방향에서, 도로의 우측 또는 특히 그 가장 바깥쪽 구역이 청색 광으로 조명되는 반면, 도로의 좌측이 황색 광으로 조명되는 방식으로 선택되고 배열된다. 다가오는 차량의 눈부신 빛 감도는 감소되는 반면, 이와 동시에 도로 우측의 주변 시야에서 개선된 물체 지각력이 달성된다. 본 발명의 적합한 변경에서, 이것은 좌측 통행에 동일하게 적응 가능하다.
종속 청구항 2항 내지 10항은 본 발명의 다른 실시예를 정의한 것으로; 이들을 확정적인 방식으로 나타내지 않는다.
다가오는 차량이 있을 것 같기도 한 헤드라이트 빔 분포의 영역을 조명하기 위해 LED 콜리메이터 소자를 사용할 때, 예를 들어, 명암 분리 바로 아래의 영역 및/또는 그 위의 미광이 어느 정도 황색 빛을 띠거나 또는 감소된 청색 부분을 갖는 것이 양호할 수 있다. 이것은, 예를 들어 높은 강도의 에지를 따르는 흡수 필터에 의해 달성될 수 있는데, 이 필터는 청색 광을 흡수한다.
LED 콜리메이터 소자가 헤드라이트 빔의 주변 구역에 적용될 때, 색조는 높은 강도의 에지를 따라 청색 간섭 광을 사용함으로써 증가될 수 있는데, 색조의 증가는 측면 도로 표지를 인식하고 장애물을 인식하는데 유리하다. 간섭 필터에 의해 반사된 황색 광은 다른 빔 구역의 콜리메이터에서 가능한 재개된 반사 후에 이용할 수 있거나, 또는 눈부신 빛 느낌을 줄이기 위해 미광에 기여할 수 있다. 게다가, 그 조합이 또한 가능하다.
하향 빔 기능을 실현할 때, 명암 분리 아래의 교통 공간은 황색 광이 제1 구역에서 두드러지고, 청색 광이 제2 구역에서 두드러지며, 필터에 의해 거의 영향을 받지 않는 광이 제3 구역에서 두드러지는 방식으로, 양호하게 조명될 수 있다.
상기 설명된 바와 같이, 그 아래에서 강도가 가능한 한 높은 예리한 명암 분리는 특히 차량 헤드라이트에서의 응용을 위해 필요하다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 비균일 휘도 분포는 따라서, 상당한 방사 부분이 눈부신 빛 등에 의해 점차로 희미해지지 않고, 예리한 명암 분리가 생성되도록, 콜리메이터의 바로 제1 에지에서 높은 강도가 있고, LED로부터 먼 콜리메이터의 에지 측에서 광 강도가 거의 없는 방식으로 설계된다. 발광 효율과 관련하여, 설계는 이리하여 거의 손실이 없게 작용한다.
본 발명에 따르면, LED 콜리메이터 소자가 비대칭 구조를 갖는 비균일 휘도 분포가 얻어진다.
LED 콜리메이터 소자의 비대칭 실시예는 콜리메이터가 상술된 바와 같이 예리한 명암 분리를 생성하도록, 제1 에지가 형성되는 콜리메이터의 영역이 제2 영역보다 주요 방사 방향에 관해 덜 경사지는 방식으로 더욱 양호하게 형성될 수 있다. 단순한 경우에, LED 소자에 의해 방출된 광이 제2 에지보다 제1 에지에서 더 강한 강도로 방사되도록, 콜리메이터의 제1 및 제2 에지는 콜리메이터의 대향하는 영역에 놓이게 된다.
상기 설명된 설계 대안의 결합된 변형에서, 콜리메이터 절단 평면에 관해 비스듬하게 배열된 LED는 비대칭으로 설계된 콜리메이터 내에 배열된다.
이때, 콜리메이터 영역의 형태는 평평한 영역 및 그 조합에 제한되는 것이 아니라, 예를 들어 콜리메이터의 깊이에 의존하여 서로 다른 강도로 연속적으로 구부러질 수 있다.
명암 분리가 좀 더 유연하게 설계되는 경우에, 콜리메이터의 에지를 따른 산란 필터 소자의 사용이 바람직하다. 이때, 휘도는 에지에서 갑자기 감소하는 것이 아니라, 특히 거리가 증가함에 따라 서서히 감소할 것이다. 그러한 배열은 또한 실제 콜리메이터 애퍼추어의 외부 영역에서 매우 작지만 정의된 휘도를 갖는 영역을 제공하기 위해 사용될 수 있어서, 헤드라이트 빔에서의 명암 분리 위에서 제어된 강도 실현을 할 수 있게 한다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에 따르면, 2차 광학계는 주요 조사 방향으로 콜리메이터 애퍼추어의 뒤에 배열되어서, 이 2차 광학계는 방출된 광을 조명될 공간에 비춘다. 일반적으로, 2차 광학계는 LED 콜리메이터 소자에 의해 생성된 조명 이미지를 조명될 물체 상으로 투사하는 프로젝션 렌즈로 구성될 수 있다. 렌즈는 구면 또는 비구면 렌즈일 수 있지만, 한 방향으로만 초점 설정을 하는 원통형 렌즈가 사용될 수도 있다. 더욱이, 회전 대칭 또는 평면 포물면 반사기 또는 오픈-스페이스 반사기가 2차 광학계로서 고려될 수 있다. 이 열거는 본 발명과 관련하여 제한적인 것이 아니다.
상이한 특성, 예를 들어 상이한 발광 효율 또는 상이한 색을 갖는 다수의 LED 소자는 콜리메이터 내에서 양호하게 결합될 수 있다. 동시 동작의 경우에, 평균 결과는 콜리메이터 내에서의 광의 혼합으로부터 생성된다. LED를 제조할 때, 공칭 값 주위로의 언급된 파라미터의 확산이 일반적으로 나타난다. 그럼에도 불구하고, 예를 들어 너무 높고 너무 낮은 색 온도를 갖는 콜리메이터 내에서의 다수의 LED 소자의 결합은 원하는 색의 광이 생성될 수 있게 하므로, 전체 제조 범위에 걸쳐 더욱 경제적인 응용을 제공한다. 게다가, 상이한 색 특성을 갖는 LED들의 결합은 콜리메이터에 의해 생성된 광의 색이 각 소자의 비균일 제어에 의해 정의된 방식으로 변경될 수 있게 한다.
더욱이, 필터 소자는 LED 콜리메이터 소자의 하우징의 기계적 기준에 관해 명암 분리의 기하학적 위치를 높은 정확도로 결정하기 위해 이용될 수 있다. 이것은 콜리메이터 표면을 따르는 LED가 필요한 정확도로 인해 중간 유닛으로서 사전 조립될 때 유용할 수 있는데, 그 후 이 유닛은 콜리메이터 하우징 내에 장착된다. 이러한 사정으로, 콜리메이터 출구 애퍼추어를 위치시키는 정확도는 이때 감소된다. 다른 한편으로, 또한 다이어프램을 포함할 수 있는 필터 소자는 콜리메이터 출구 애퍼추어 위에 높은 정확도로 독립적으로 위치될 수 있다.
본 발명의 목적은 또한 청구항 11항에 정의된 바와 같이, 본 발명에 따른 최소한 하나의 LED 콜리메이터 소자를 갖는 조명 유닛에 의해 달성된다.
본 발명의 이들 및 다른 실시양상은 이후 설명되는 실시예로부터 명백해지고, 그러한 실시예와 관련하여 설명될 것이다.
도 1은 도로상의 헤드라이트의 방사 경로를 나타내는 단순화된 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 LED 콜리메이터 소자의 제1 실시예를 통한 단면도.
도 3은 LED 콜리메이터 소자의 방사 평면 내의 조명 이미지를 도시한 도면.
도 4는 도 2에 도시된 바와 같은 LED 콜리메이터 소자의 사시도.
도 5는 도 2에 도시된 바와 같은, 본 발명에 따른 LED 콜리메이터 소자를 갖는 헤드라이트의 도로상의 방사 경로를 나타내는 단순화된 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 LED 콜리메이터 소자의 제2 실시예를 통한 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 LED 콜리메이터 소자의 제3 실시예를 통한 단면도.
도 1은 도로 b 상에서의 헤드라이트 a의 광 방사 경로를 개략적으로 나타낸 것이다. 헤드라이트 a는 LED 콜리메이터 소자의 방사 표면 c에 의해, 그리고 2차 광학계 d에 의해 나타내진다. 방사 표면 c는 모서리 r,s,t,u 사이의 4개의 경계선을 갖는다. 도로 b는 중앙 분리대 e에 의해 2차선 f와 g로 나누어진다. 헤드라이트 a를 갖는 차량(도시 생략)은 차선 f에 있다(우측 통행). 차선 g는 다가오는 차량을 위한 것이다. 헤드라이트 a는 모서리 r', s', t', u'를 갖는 이미지를 생성하는 교통 공간 h를 비춘다.
방사 표면 c로부터 방출되는 광은 2차 광학계 d로 입사된다. 그것은 일반적 으로, 가로와 세로가 반전된 방식으로 방사 표면의 이미지를 만들어내는 렌즈에 의해 형성된다. 조명될 도로 f에 대한 방사 평면 c의 각도가 a이기 때문에, 도로상에 결과적으로 생긴 이미지는 왜곡된다. r에서 s까지 또는 t에서 u까지의 거리가 동일한 길이임에도 불구하고, t'에서 u'까지 뻗은 거리는 r'에서 s'까지 거리의 배수의 길이를 갖는다. 이 왜곡은 또한 교통 공간 h의 조명에 고려될 수 있다. 교통 공간 h의 대체로 균일한 조명으로 인해, u와 t 사이의 방사 평면의 에지에서는 r과 s 사이의 대향 에지에서보다 훨씬 더 큰 발광 출력을 필요로 한다. 따라서, 이상적으로, 연속 전이 또는 휘도 변화도는 에지 u 및 t에서의 높은 발광 출력과 에지 r 및 s에서의 작은 발광 출력 사이에 형성된다.
다가오는 차량의 눈부신 빛을 방지하기 위해, 모서리 r', s', t', u'를 갖는 이미지 밖에서 더 이상 광이 방사되지 않아야 한다. 이것은 특히 t'와 u' 사이의 에지에 관련된다. 여기에서, 광원은 예리한 명암 분리를 형성해야 하는데, 그 이유는 이 에지 위에서의 광이 다가오는 차량을 눈부시게 할 수 있기 때문이다. 따라서, 명암 분리는 t에서 u까지의 선을 따라 방사 평면에서 형성되어야 한다.
이들 요구사항은 본 발명에 따른 LED 콜리메이터 소자의 구성에서 다음과 같이 바뀐다:
도 2에 도시된 LED 콜리메이터 소자(1)는 LED 소자(2) 및 콜리메이터(3)를 포함한다. LED 소자(2)는 제1 콜리메이터 절단 평면(4)에 평행하게 뻗어가는 주요 방상 방향으로 광을 방사시킨다. LED 소자(2)의 주요 방사 방향은 여기에서, LED 소자(2)의 칩이 연장하는 평면에 수직인 것으로 정의된다.
콜리메이터(3)는 제1 콜리메이터 절단 평면(4)에 평행하게 연장하는 제1 반사기 영역(5)을 갖는다. 제1 반사기 영역(5)과 마주보고 있는 제1 콜리메이터 절단 평면(4)과 관련하여, 하부 구간(6)과 상부 구간(7)으로 이루어진 제2 반사기 영역이 있다. 손실을 방지하기 위해, LED 소자(2)로부터 2개의 반사기 영역까지의 거리는 작은데, 명확하게 이 소자의 크기보다 작다. 주요 방사 방향에서, 2개의 구간(6, 7)은 콜리메이터 절단 평면(4)으로부터 멀어지는 경사도를 갖는다. 하부 구간(6)은 상부 구간(7)보다 콜리메이터 절단 평면(4)에 대해 훨씬 덜 강하게 경사진다. 제1 반사기 영역(5) 및 상부 구간(7)은 콜리메이터(3)의 제1 에지(8) 및 콜리메이터(3)의 제2의 대향하는 에지(9)에서 방사 표면(10)에서 끝난다. 방사 표면(10)은 단지, 도 1에서 콜리메이터 애퍼추어와 일치하는 기하학적 위치로서 이해될 뿐이다. 콜리메이터 애퍼추어는 2개의 표면(15)(도 1에 도시되지 않음)의 에지뿐만 아니라, 에지(8, 9)에 의해 공간적으로 한정된다. LED 소자(2)의 주요 방사 방향 및 콜리메이터 절단 평면(4)은 방사 표면(10)에 수직이다.
도 2는 LED 소자(2)와 협동하는 비대칭 콜리메이터(3)의 동작 모드를 나타낸 것이다. 도 2는 단지 예시적으로 빔을 도시한 것으로, 빔은 LED 소자(2)에 의해 방출된다. 그러나, 실제로, LED 소자(2)는 그 폭 전반에 걸쳐 무지향성으로 광을 방사시킨다(람베르트 방사). LED 소자(2)의 방사는 실선 화살표(11)에 의해 나타내진다. 실선 화살표(11)는 특히, 직접 비추거나(비반사) 또는 기껏해야 제1 반사기 영역(5)을 한번 반사하여 비추는 방사선이 콜리메이터(3)를 떠나는 것을 나타낸다. 제1 반사기 영역(5)은 LED 소자(2)에서 콜리메이터 절단 평면(4)으로 평행하 게 되어 있기 때문에, 방출된 광의 비교적 많은 부분을 콜리메이터(3)의 에지(9) 쪽의 공간으로 반사시킨다.
하부 구간(6)은 콜리메이터 절단 평면(4)으로부터 벗어나 약 45°까지의 경사도로 LED 소자(2)의 에지로부터 연장한다. 따라서, 하부 구간(6)은 주요 방사 방향 또는 콜리메이터 절단 평면(4)에 대해 큰 각도로 방출되는 그 광의 상당 부분을 반사시킨다. 그러나, 그 경사도로 인해, 하부 구간(6)은 반사기 영역(5)보다 콜리메이터 절단 평면(4)에 대해 상당히 편평한 각도로 방사선을 반사시킨다. 결과적으로, 하부 구간(6)에 의해 반사된 광의 일부만이 한번 더 반사되는 대향하는 반사기 영역(5)에 입사된다. 따라서, 하부 구간(6)에 의해 반사된 광의 다른 부분은 더 반사되지 않고 방사 표면(10)에 도달하는데, 방사 표면은 가로로 에지(8 및 9)에 의해 한정된다. 구간(6)의 기하학적 형태로 인해, 이 광은 제1 에지(8) 근처, 특히 필터(12) 구역 내의 방사 표면(10)의 영역에 입사된다. 상부 구간(7)이 하부 구간(6)보다 여전히 더욱 심하게 경사져 있으므로, LED 소자(2)로부터 나와서 상부 구간(7)에 직접 입사되는 방사선은 없다. 상부 구간(7)은 반사기 영역(5)에서 이미 한번 반사된 광선의 반사에 전혀 기여하지 않는다. 그러므로, 상부 구간(7)은 강하게 반사하는 표면을 가질 필요가 없고; 상부 구간(7)은 원칙적으로 필요 없게 될 수도 있다.
상기 설명된 구성에서, 제1 에지(8)에 가까운 LED 소자(2)에 의해 방출된 방사선의 주요 부분은 이렇게 방사 표면(10)에 입사되도록 한정되므로, 방사선의 휘도 분포는 제1 에지(8)에서 제2 에지(9)까지 점차 감소하는 변화도로 진행된다. LED로부터 떨어져서 대면해 있는 에지(8) 쪽에서는, 방사 표면(10) 뒤에서 아주 약간의 미광 방사선만이 발생하는데, 2차 광학계의 적합한 선택 및/또는 커플링은 이 미광 방사선이 교통 공간 내의 명암 분리 위에서 확실하게 비추어지지 않게 할 수 있다. 필터(12)는 방사 표면(10)의 영역 내에 배열되는데, LED 소자(2)의 칩이 연장하는 평면에 평행하게 배열된다. 그 위치와 관련하여, 필터(12)는 콜리메이터(3)의 에지(8) 영역 내에 동시에 배열되는데, 도시된 형태로, 필터(12)의 에지는 대체로 에지(8)에서 끝난다. 따라서, LED 소자(2)로부터 방출된 광의 일부분은 필터(12)에 도달한다.
이것은 도 3에 도시된 바와 같이, LED 콜리메이터 소자(1)의 방사 평면 내에 어떤 양상 또는 조명 이미지를 생기게 한다. 상부 에지(8)에서 하부 에지(9) 쪽으로, 감소하는 조도는 허상 교차 선 1-1에 평행하게 각 구간을 따라 정의된다. 제1 에지(8) 위에서 조사되는 광이 거의 없기 때문에, 최대로 예리한 명암 분리는 에지(8)를 따라 나타난다. 필터(12)의 방사 표면(13)(도 3에서의 빗금친 직사각형 표면)으로부터 나오는 광은 필터(12)의 각각의 특성에 따라 관련 색을 갖는다. 따라서, 조명 시스템의 2가지 가장 중요한 특성이 특히 자동차 헤드라이트에 제공되는데, 즉, 한편으로는 최고 조명 강도의 바로 그 영역에서 예리한 명암 분리가 제공되고, 다른 한편으로는 명암 분리에서의 높은 강도로부터 명암 분리에 대면한 영역에서의 작은 강도까지 정의된 휘도 분포의 변화도가 제공된다.
도 4는 도 2에 도시된 본 발명에 따른 LED 콜리메이터 소자(1)의 사시도이다. 이 도면은 주로, 반사하는 영역(5,6,7) 또는 2개의 측면 반사기 표면(15)의 서로에 대한 그리고 LED 소자(2)에 대한 할당을 나타낸 것이다. 도 2의 도면의 평면에 평행하게, LED 콜리메이터 소자(1)는 2개의 측면 반사기 표면(15)에 의해 한정된다. 이들 측면 반사기 표면(15)은 방사 방향에서 보았을 때 바깥쪽으로 경사져 있지만, 또한 LED 소자(2)의 평면에 대해 단지 직각으로 연장하고, 따라서 도 2에 도시된 콜리메이터 절단 평면(4)에 평행할 수 있다.
LED 소자(2)는 기본적으로 직사각형 영역을 포함하는데, 그 가장 긴 쪽은 도 2에 도시된 콜리메이터 절단 평면(4)에 평행하게 연장한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 기본적으로 직사각형인 LED 소자(2) 대신에, 예를 들어, 다수의 정사각형 LED 소자가 대안적으로 서로의 옆에 배열되어, 다시 또 직사각형 영역이 결과적으로 생길 수 있다.
빗금친 영역으로 도 4에 도시된 필터 소자(12) 또는 그 방사 표면(13)은 콜리메이터 출구 애퍼추어의 영역 내에, 즉 기본적으로 직사각형인 LED 소자(2)에 거의 평행하게 놓이게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 LED 콜리메이터 소자를 갖는 헤드라이트의 도로상에서의 방사 경로를 도시한 단순화된 사시도이다. 도 5는 대체로 도 1에 대응하는데, 추가로 빗금친 영역으로서 도 5에 도시된 도로(14) 상의 영역이 강조되고, 이 영역에서는 필터(12) 구역으로부터 나오는 광이 발생한다.
도 6은 본 발명에 따른 LED 콜리메이터 소자(1)의 다른 실시예를 도시한 것이다. 도 2와 유사하게, 필터 소자(12)는 에지(8)의 구역에 배열되고, 이제는 필터(12)가 에지(8)에서 튀어나오는 방식으로 의도적으로 배열된다. 이러한 유형의 배열에 따라, 필터(12)는 (도 2의 설명에서 언급된 미광 이외에) 이제 원하는 산란 특성을 갖는다. 그러므로, 필터(12)에 입사되는 광의 일부분은 에지(8) 뒤의 구역으로 편향되고, 거기에서 2차 광학계로 도달할 수 있다. 광의 작은 부분만이 이러한 방식으로 편향되기 때문에, 에지(8) 너머의 휘도는 이에 상응하여 작고, 거리가 증가함에 따라 계속 감소한다. 그러므로, (도 5와 유사한) 이미지에서, 정해진 색을 띠는 양상을 갖는 유연한 명암 분리가 도로상에서 생길 수 있다. 특히 이 경우에, 필터는 중간색으로 그리고 산란 버전에서만 실현될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 LED 콜리메이터 소자(1)의 다른 실시예를 도시한 것이다. 도 7에 도시된 실시예에서, 필터(12)는 에지(9) 부근의 낮은 휘도 구역에서 제공되고, 여기에서 필터는 거기에 존재하는 광선의 방향을 2차 광학계의 검출 구역의 방향으로 편향시킨다. 이러한 방식으로 배열된 필터(12)가 없으면, 대부분의 방사선은 아마 대부분이 이 검출 구역의 바깥쪽으로 놓여 있었을 것이다. 그러므로, 이러한 필터(12)는 조명 시스템의 증가된 효율에 기여할 수 있다.

Claims (12)

  1. 광원의 최소한 한 구역으로부터 최소한 한가지 색의 가시광을 방출하는 하향-빔(low-beam) 기능을 갖는 차량 헤드라이트용 LED 콜리메이터(collimator) 소자에 있어서,
    상기 LED 콜리메이터 소자(1)는 동작시에 방출된 광의 주된 부분이 상기 LED 콜리메이터 소자(1)의 방사 각도 범위 내에서 직접 방출될 수 있는 그러한 광원으로서 최소한 하나의 LED(2)를 갖고, 상기 LED 콜리메이터 소자(1)의 방사 각도 범위 내에서 방출되지 않는 광을 상기 방사 각도 범위 내로 편향시키는 콜리메이터(3)를 포함하며,
    상기 LED 콜리메이터 소자(1)는 정의된 비균일 휘도 분포가 콜리메이터 절단 평면(4)에 관해 그리고 상기 LED 콜리메이터 소자(1)의 주요 방사 방향에 관해 직각으로 정의된 상기 LED 콜리메이터 소자(1)의 방사 평면에서 달성가능한 방식으로, 최소한 콜리메이터 절단 평면(4)에 관하여 비대칭으로 구성되며,
    최소한 하나의 필터(12)는 하향-빔 기능을 실현할 때, 명암 분리(bright-dark cut-off)의 아래에 놓이는 교통 공간의 영역이 상이한 색들의 가시광으로 정의된 영역들 내에서 비추어질 수 있는 방식으로, 최소한 상기 콜리메이터(3)의 한 구역 내에 배열되는 LED 콜리메이터 소자.
  2. 제1항에 있어서, 이들 필터(12) 중의 최소한 하나는 높은 강도의 구역으로부 터의 광이 상이한 스펙트럼 조성을 갖는 방식으로, 더욱 양호하게는 낮은 강도의 구역들로부터의 광보다 더 많은 황색 부분 또는 청색 부분을 갖는 방식으로 배열되는 LED 콜리메이터 소자.
  3. 제1항에 있어서, 비균일 휘도 분포는 상기 콜리메이터(3)의 바로 제1 에지(8)에서 높은 강도를 갖고, 상기 LED(2)로부터 멀리 있는, 상기 콜리메이터(3)의 에지(8) 쪽에서 광 강도를 거의 갖지 않는 방식으로 설계되는 LED 콜리메이터 소자.
  4. 제1항에 있어서, 최소한 하나의 산란 필터(12)는 미광(stray light), 더욱 양호하게 황색의 미광이 상기 명암 분리 위의 구역에 도달하도록, 상기 콜리메이터(3)의 에지(8)를 따라 배열되는 LED 콜리메이터 소자.
  5. 제1항에 있어서, 제1 에지(8)가 형성되는 상기 콜리메이터(3)의 제1 영역(5)은 제2 영역(6, 7)보다 주요 방사 방향에 관해 덜 경사져 있는 LED 콜리메이터 소자.
  6. 제1항에 있어서, 2차 광학계는 주요 방사 방향으로 콜리메이터 애퍼추어(aperture)의 뒤에 배열되어 있어서, 이 2차 광학계가 상기 방출된 광을 조명될 공간 내에 비추는 LED 콜리메이터 소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 LED는 유기 또는 무기 LED인 LED 콜리메이터 소자.
  8. 제1항에 있어서, 상이한 특성들을 갖는 다수의 LED 소자(2)가 상기 콜리메이터(3) 내에 배열되는 LED 콜리메이터 소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 필터(12)는 상기 콜리메이터(3)의 에지(7)의 구역 내에 배열되는 LED 콜리메이터 소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 필터는 상기 LED 콜리메이터 소자(1)의 하우징의 기계적 기준들에 관해 상기 명암 분리의 기하학적 위치를 높은 정확도로 결정하기 위한 판단 기준으로서 작용하는 LED 콜리메이터 소자.
  11. 제1항 내지 제10항에 청구된 최소한 하나의 LED 콜리메이터 소자(1)를 갖는 조명 유닛.
  12. 제11항에 있어서, 하향-빔 기능을 실현할 때, 색과 관련하여 본질적으로 영향을 미치지 않는 광을 갖는 제1 구역으로부터 떨어져서, 색, 특히 청색 또는 황색 광과 관련하여 영향을 미치는 광이 정의되어 있는 제2 구역이 최소한 있는 방식으로, 명암 분리 아래의 교통 공간이 조명될 수 있는 조명 유닛.
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