KR20170096597A - 적어도 하나의 광원을 투사시키기 위한 렌즈 시스템 - Google Patents

적어도 하나의 광원을 투사시키기 위한 렌즈 시스템 Download PDF

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KR20170096597A
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마린 쿠르시에
제롬 르꼬레
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발레오 비젼
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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 광원(1)을 투사시키기 위한 렌즈 시스템에 관한 것으로, 이 렌즈 시스템은, 상기 광원(1)에서부터 광의 전파 방향으로, 광축을 따르는 두께와 폭 간의 비율이 0.5보다 크고 높은 수렴성을 나타내는 재료로부터 얻어지며 상기 광원(1)과 접촉하는, 주 렌즈(3)라 불리는 적어도 하나의 제 1 수렴 렌즈로 이루어진 적어도 하나의 제 1 광학 요소 그룹(2); 낮은 수렴성을 나타내는 재료로부터 얻어진 적어도 하나의 발산 렌즈(7)로 이루어진 제 2 광학 요소 그룹(6); 동공(8); 및 적어도 하나의 수렴 반사기로 이루어지거나 또는 높은 수렴성을 나타내는 재료로부터 얻어진 적어도 하나의 수렴 렌즈(10)로 이루어진 제 3 광학 요소 그룹(9)을 포함한다.

Description

적어도 하나의 광원을 투사시키기 위한 렌즈 시스템{SYSTEM OF LENSES FOR PROJECTING AT LEAST ONE LIGHT SOURCE}
본 발명은 주 렌즈라 불리는 제 1 렌즈에 파묻히는(immersed) LED라 불리는 발광 다이오드 또는 스캔 레이저와 같은 적어도 하나의 광원을 투사시키기 위한 렌즈들의 시스템(system of lenses)(이하, 렌즈 시스템)에 관한 것이다. 본 발명은 조명 분야, 특히 차량용 조명 및/또는 신호 시스템 분야에서 많이 응용될 것이다.
조명 분야, 특히 자동차 분야에서, 상이한 유형의 전구들이 광원으로 사용되고 있었지만, 최근에는 발광 다이오드(LED)가 점점 널리 사용되고 있다. 그 이유는, 발광 다이오드(LED)는 전기를 빛으로 변환하는 효율이 우수하고, 소량의 열을 방출하며, 소형 경량이며, 수명이 길기 때문이다.
이러한 장점들이 주어지는 상황에서, 많은 조명 시스템은 렌즈, 즉 일반적으로는 수차를 보정할 수 있게 하는 비구면 렌즈와 직접 정렬되게 위치되는 LED들의 열을 사용하여 설계되고 있다. 또한, 조명 시스템의 디옵터의 표면의 형태를 계산하는 것은, 한편으로는 빛이 통과하는 상기 디옵터에 의해 유도된 수차를 제한하고 다른 한편으로는 출사부에서 원하는 광 빔을 얻고자 하는 데 있어서 표준 관행이다. 조명 시스템의 광축 상에 위치한 LED로 양호한 결상을 얻는 것은 가능하지만, 조명 시스템은 다수의 LED를 포함하고 결과적으로는 광축으로부터 멀리 떨어진 LED들을 포함하게 되고, 이는 귀찮은 필드 수차(field aberration)를 야기한다.
본 발명은 상기 상황을 개선하기 위해 제안되는 것이다.
본 발명은, 상기 목적을 위해, 적어도 하나의 광원을 투사시키기 위한 렌즈 시스템에 관한 것으로, 이 렌즈 시스템은, 광원에서부터 광의 전파 방향으로, 광축을 따르는 두께와 폭 간의 비율이 0.5보다 크고 높은 수렴성(constringence)을 나타내는 재료로부터 얻어지며 상기 광원과 접촉하는, 주 렌즈라 불리는 적어도 하나의 반구형의 제 1 수렴 렌즈로 이루어진 적어도 하나의 제 1 광학 요소 그룹; 낮은 수렴성을 나타내는 재료로부터 얻어진 적어도 하나의 발산 렌즈로 이루어진 제 2 광학 요소 그룹; 동공(pupil); 및 적어도 하나의 수렴 반사기로 이루어지거나 또는 높은 수렴성을 나타내는 재료로부터 얻어진 적어도 하나의 수렴 렌즈로 이루어진 제 3 광학 요소 그룹을 포함한다.
반구형의 주 광학 요소(primary optic)는 광원으로부터 최대의 광을 붙잡을 수 있게 하며, 연속적으로 수렴하고, 발산하고, 수렴하는 3 개의 광학 시스템들의 렌즈들은 수차를 보정하고 광 빔을 형성할 수 있게 한다.
주 광학 요소에 의해 붙잡히는 광을 가능한 한 많게 하기 위해서, 제 1 반구형 주 수렴 렌즈는 구에 대한 불일치를 두께의 10% 미만으로 나타내며, 바람직하게는 구에 대한 불일치를 두께의 3% 미만으로 나타낸다.
바람직하게는, 제 1 광학 요소 그룹은 적어도 하나의 비구면을 포함하는 제 2 렌즈를 포함하고, 상기 제 1 광학 요소 그룹의 제 2 렌즈의 비구면은 주 렌즈의 반대 측에서 연장된다.
또한, 제 2 광학 요소 그룹의 발산 렌즈는 바람직하게는 양쪽 오목 렌즈(biconcave lens)로 구성된다.
대안으로, 제 2 광학 요소 그룹의 발산 렌즈는 평면-오목 렌즈(plano-concave lens)로 구성된다.
바람직하게는, 제 3 광학 요소 그룹의 수렴 렌즈는 적어도 하나의 비구면을 포함하고, 상기 제 3 광학 요소 그룹의 수렴 렌즈의 비구면은 제 2 광학 요소 그룹과 제 3 광학 요소 그룹 사이에 위치된 동공(pupil)의 반대 측에서 연장된다.
바람직하게는, 광원은 적어도 하나의 LED 광원 또는 레이저로 구성된다.
본 발명의 한 양태에 따르면, 광원은, 복수의 LED 광원으로 구성된 주 광원으로부터 방사광을 받으며 주 수렴 렌즈와 접촉하는 파장 변환 장치로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 파장 변환 장치는, 각각이 간섭 필터를 형성하며 적어도 2 개의 상이한 구역에 분포되는 적어도 2 개의 재료를 포함하는 기판으로 이루어진다.
따라서, 본 발명에 따른 조명 시스템은 광학 시스템의 초점에 위치된, 즉 반구형 주 렌즈와 접촉하는, 광원의 이미지를 광 빔 형태로 투사시킬 수 있다. 더 구체적으로, 상기 광원은 LED들의 매트릭스, 즉 소위 적응형 조명 시스템(adaptive lighting system)을 생산하기 위해 서로 독립적으로 켜고 끌 수 있는, 예를 들어 "화소"라고 일반적으로 불리는, 정사각형과 같은 구역들로 세분된 광 표면일 수 있다. 차량의 이러한 적응형 조명 시스템은 광 빔의 빛 분포를 교통 상황에 맞출 수 있게 한다. 예를 들어, 모든 화소가 켜진 경우, 시스템은 도로 상에 일반적으로 하이 빔이라고 하는 강력한 광 빔을 투사시켜 다른 운전자를 눈부시게 하며, 차량이 조명 시스템의 전방에서 검출되는 경우에는, 다른 운전자를 눈부시게 하는 빛을 내는 화소 또는 화소들을 꺼서 일반적으로 로우 빔이라고 하는 덜 강력한 빔을 형성한다.
다음의 설명, 즉 순전히 표시의 목적으로 제시될 뿐 발명을 제한하려는 것이 아니며 첨부된 도면에 수반되는 다음의 설명에 비추어 보면, 본 발명을 더 잘 이해하게 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 적어도 하나의 광원을 투사시키기 위한 렌즈 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 투사 렌즈 시스템의 변형 실시예로서 파장 변환 장치를 포함하는 변형 실시예를 도시하는 도면이다.
도면에서, 동일하거나 유사한 요소는 동일한 도면 부호를 갖는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 적어도 하나의 광원(1)을 투사시키기 위한 렌즈들의 시스템("렌즈 시스템")에 관한 것이다. 상기 렌즈 시스템은, 상기 광원(1)에서부터 광의 전파 방향으로, 광축을 따르는 두께와 높이 사이의 비율을 0.5보다 크게 나타내며 높은 수렴성을 나타내는 재료로부터 얻어지고 상기 광원(1)과 접촉하는 반구형의 주 렌즈라 불리는 제 1 수렴 렌즈(3)와, 비구면(5)을 포함하는 제 2 렌즈(4)를 포함하는 제 1 광학 요소 그룹(2), 여기서 당해 제 1 광학 요소 그룹(2)의 상기 제 2 렌즈(4)의 비구면 디옵터(5)는 렌즈의 입사 디옵터에 대응, 즉 주 렌즈(4) 측에서 연장됨; 낮은 수렴성을 나타내는 재료로부터 얻어진 발산 렌즈(7)로 구성된 제 2 광학 요소 그룹(6); 동공(8); 및 높은 수렴성을 나타내는 재료로부터 얻어진 수렴 렌즈(10)로 구성된 제 3 광학 요소 그룹(9)을 포함한다. 이하의 설명에서, "높은 수렴성"은 40보다 큰 수렴성을 의미하는 것으로 이해될 것이고, "낮은 수렴성"은 40보다 작은 수렴성을 의미하는 것으로 이해될 것이다.
광원(1)은, 본 발명의 범위를 어떠한 방식으로든 벗어남이 없이, 광 가이드들의 출사 또는 디커플링 구역, 수렴 디옵터들의 매트릭스의 출사 또는 디커플링 구역, 또는 수렴 디옵터들의 매트릭스에 의해 생성된 (재료 내의) 가상 이미지 등과 같은, 임의의 주 광원 또는 임의의 부 광원으로 구성될 수 있음을 알게 될 것이다.
예를 들어, 제 1 광학 요소 그룹(2)의 주 렌즈(3) 및 제 3 광학 요소 그룹(9)의 수렴 렌즈(10)는, 쇼트(SCHOTT) 회사에 의해 NLAK33A라는 이름으로 시판되는 것으로, 두문자 PMMA로 지칭되는 폴리메틸 메타크릴레이트 형태의 수렴성이 52 및 수렴성이 58인 광학 유리로부터 얻을 수 있거나, 혹은 위와 동일한 수렴성을 갖는 그 밖의 다른 투명 열가소성 폴리머로부터 얻을 수 있다. 제 2 광학 요소 그룹(6)의 발산 렌즈(6)는 수축성이 30인 폴리카보네이트(PC)와 같은 40 미만의 수렴성을 나타내는 임의의 재료, 또는 수렴성이 예를 들어 339인 유리 N-SF2로부터 얻을 수 있다.
반구형의 주 광학 렌즈(3)는 광원(1)으로부터 최대의 광을 붙잡을 수 있게 하며, 연속적으로 수렴하고, 발산하고, 수렴하는 3 개의 광학 시스템들(2, 6, 9)의 렌즈들(3, 4, 7, 10)은 수차를 보정하고 광 빔을 형성할 수 있게 한다. "수렴성"은 렌즈의 색 분산을 나타내는 지표를 의미하는 것으로 이해해야 한다. 따라서, 수렴성은 아베 수 및 분산 계수와 등가이며, 광의 파장의 함수로서의 재료의 굴절률 변화에 상응한다. 수렴성이 높을수록 렌즈의 색 분산이 낮아진다.
최상의 광 추출 및 최상의 광 색수차 보정을 달성하기 위해, 반구형 주 수렴 렌즈(3)는 구에 대한 불일치를 렌즈 두께의 10% 미만으로 나타내며, 바람직하게는 구에 대한 불일치를 두께의 3% 미만으로 나타낸다.
또한, 제 2 광학 요소 그룹의 발산 렌즈(6)는 렌즈의 입사 디옵터(input diopter)가 출사 디옵터(output diopter)의 곡률 반경보다 큰 곡률 반경을 갖는 양쪽 오목 렌즈로 구성된다. 바람직하게는, 제 3 광학 요소 그룹의 수렴 렌즈(10)는 비구면 디옵터(11)를 포함하고, 상기 제 3 광학 요소 그룹(9)의 수렴 렌즈(10)의 비구면 디옵터(11)는 제 2 광학 요소 그룹(6)과 제 3 광학 요소 그룹(9) 사이에 위치된, 즉 수렴 렌즈(10)의 출사 디옵터에 대응하는, 동공(8)의 반대 측에서 연장된다. 또한, 렌즈(3, 4, 6, 10)의 광축들은 동축이라는 점도 알아차릴 것이다.
이 예시적인 실시예에서, 광원(1)은 형광체가 주 렌즈(3)에 파묻혀 있다(immersed)고 말하는 LED라 불리는 발광 다이오드로 구성된다. 상기 "파묻혀 있다(immersed)"라는 용어는 LED의 형광체가 주 렌즈(3)와 접촉한다는 것을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 이렇게 해서 형광체에 의해 방출된 빛은 주 광학 요소에 직접 "파묻혀 있는" 채로 남아 있게 된다. 그러나 광원은 본 발명의 범위를 어떤 방식으로든 벗어나지 않으면서 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 임의의 광원으로 구성될 수 있음은 명백하다.
도면에 나타내지 않은 제 1 변형 실시예에 따르면, 제 1 광학 요소 그룹(2)은 단지 하나의 반구형 주 수렴 렌즈(3)를 포함할 수 있을 것이다.
도면에 나타내지 않은 다른 변형 실시예에 따르면, 제 3 광학 요소 그룹(9)의 수렴 렌즈(10)는 하나 이상의 수렴 반사기로 대체될 수 있을 것이다.
또한, 렌즈(3, 5, 7, 10) 각각은 본 발명의 범위를 어떤 방식으로든 벗어나지 않으면서 적어도 2 개의 렌즈로 교체될 수 있음은 말한 것도 없다.
도 2를 참조한 다른 변형 실시예에 따른 렌즈 시스템은, 앞에서 설명한 것과 동일한 방식으로, 상기 광원(1)에서부터 광의 전파 방향으로, 광축을 따르는 두께와 폭 사이의 비율을 0.5보다 크게 나타내며 높은 수렴성을 나타내는 재료로부터 얻어지고 상기 광원(1)과 접촉하는 반구형의 주 렌즈라 불리는 제 1 수렴 렌즈(3)와, 비구면(5)을 포함하는 제 2 렌즈(4)를 포함하는 제 1 광학요소 그룹(2), 여기서 당해 제 1 광학 요소 그룹(2)의 상기 제 2 렌즈(4)의 비구면 디옵터(5)는 렌즈의 입사 디옵터에 대응, 즉 주 렌즈(4) 측에서 연장됨; 낮은 수렴성을 나타내는 재료로부터 얻어진 발산 렌즈(7)로 구성된 제 2 광학 요소 그룹(6); 동공(8); 및 높은 수렴성을 나타내는 재료로부터 얻어진 수렴 렌즈(10)로 구성된 제 3 광학 요소 그룹(9)을 포함한다.
이 렌즈 시스템은 복수의 LED라고 하는 발광 다이오드로 구성된 주 광원(1)으로부터 방사광을 받으며 주 수렴 렌즈(3)와 접촉하는 파장 변환 장치(12)를 포함한다는 점에서 앞에서 설명한 것과는 다르다. 따라서, 파장 변환 장치는 파묻혀 있는 부 광원, 즉 주 수렴 렌즈(3)와 접촉하는 부 광원처럼 거동한다.
복수의 발광 다이오드는, 본 발명의 범위를 어떤 방식으로든 벗어나지 않으면서, 개별적으로 어드레싱 가능한 구역들로 이루어진 단일 LED로 대체될 수 있거나 또는 레이저 빔 주사에 의해 화상을 형성하는 구역에 의해 대체될 수 있으며, 상기 구역은 확산면 및/또는 반사면을 포함한다는 것을 인지하게 될 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 조명 시스템은 광학 시스템의 초점에 위치된, 즉 반구형 주 렌즈(3)와 접촉하는, 광원의 이미지를 광 빔 형태로 투사시킬 수 있다. 더 구체적으로, 상기 광원(1)은 LED들의 매트릭스, 즉 소위 적응형 조명 시스템(adaptive lighting system)을 생산하기 위해 서로 독립적으로 켜고 끌 수 있는, 예를 들어 "화소"라고 일반적으로 불리는, 정사각형과 같은 구역들로 세분된 광 표면일 수 있다. 차량의 이러한 적응형 조명 시스템은 광 빔의 빛 분포를 교통 상황에 맞출 수 있게 한다. 예를 들어, 모든 화소가 켜진 경우, 시스템은 도로 상에 일반적으로 하이 빔이라고 하는 강력한 광 빔을 투사시켜 다른 운전자를 눈부시게 하며, 차량이 조명 시스템의 전방에서 검출되는 경우에는, 다른 운전자를 눈부시게 하는 빛을 내는 화소 또는 화소들을 꺼서 일반적으로 로우 빔이라고 하는 덜 강력한 빔을 형성한다.
본 발명은 결코 전술한 실시예들로 제한되지 않으며, 첨부된 청구범위의 범위를 벗어남이 없이 많은 수정들이 이루어질 수 있음이 명백하게 이해된다.

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 광원(1)을 투사시키기 위한 렌즈 시스템으로서,
    상기 광원(1)에서부터 광의 전파 방향으로,
    광축을 따르는 두께와 폭 간의 비율이 0.5보다 크고 높은 수렴성을 나타내는 재료로부터 얻어지며 상기 광원(1)과 접촉하는, 주 렌즈(3)라 불리는 적어도 하나의 제 1 수렴 렌즈로 이루어진 적어도 하나의 제 1 광학 요소 그룹(2);
    낮은 수렴성을 나타내는 재료로부터 얻어진 적어도 하나의 발산 렌즈(7)로 이루어진 제 2 광학 요소 그룹(6);
    동공(8); 및
    적어도 하나의 수렴 반사기로 이루어지거나 또는 높은 수렴성을 나타내는 재료로부터 얻어진 적어도 하나의 수렴 렌즈(10)로 이루어진 제 3 광학 요소 그룹(9)을 포함하는
    렌즈 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 주 수렴 렌즈는 반구형(3)이고, 구에 대한 불일치를 두께의 10% 미만으로 나타내며, 바람직하게는 구에 대한 불일치를 두께의 3% 미만으로 나타내는 것을 특징으로 하는
    렌즈 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제 1 광학 요소 그룹(2)은 적어도 하나의 비구면 디옵터(5)를 포함하는 제 2 렌즈(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    렌즈 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제 1 광학 요소 그룹(2)의 제 2 렌즈(4)의 비구면 디옵터(5)는 주 렌즈(3)의 측면에서 연장되는 것을 특징으로 하는
    렌즈 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 광학 요소 그룹(6)의 발산 렌즈(7)는 양쪽 오목 렌즈(biconcave lens)로 구성되는 것을 특징으로 하는
    렌즈 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 광학 요소 그룹의 발산 렌즈는 평면-오목 렌즈(plano-concave lens)로 구성되는 것을 특징으로 하는
    렌즈 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 3 광학 요소 그룹(9)의 수렴 렌즈(10)는 적어도 하나의 비구면 디옵터(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    렌즈 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제 3 광학 요소 그룹(9)의 수렴 렌즈(10)의 비구면 디옵터(11)는 제 2 광학 요소 그룹(6)과 제 3 광학 요소 그룹(9) 사이에 위치된 동공(8)의 반대 측에서 연장되는 것을 특징으로 하는
    렌즈 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    광원(1)은 적어도 하나의 LED 광원 또는 레이저로 구성되는 것을 특징으로 하는
    렌즈 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    광원은, 복수의 LED 광원으로 구성된 주 광원(1)으로부터 방사광을 받으며 주 수렴 렌즈(3)와 접촉하는 파장 변환 장치(12)로 이루어진 것을 특징으로 하는
    렌즈 시스템.
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