KR20180094581A - 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 또는 프로젝션용 광학계와 이것이 적용된 자동차용 램프 - Google Patents

자동차 램프용 전방향 발산각 시준 또는 프로젝션용 광학계와 이것이 적용된 자동차용 램프 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계와 이것이 적용된 자동차용 램프에 관한 것으로서, 광원(1)의 앞쪽에 배치되는 렌즈구조체로서 광원(1)의 발산광 전부가 입사되도록 구비되며, 입사광에 대해 1차 굴절 및 투과작용을 통해 방사각을 축소 조정하는 제1렌즈(L1); 상기 제1렌즈(L1)의 앞쪽에 밀착 배치되는 렌즈구조체로서 제1렌즈(L1)에 의해 1차 굴절 및 투과된 광에 대해 2차 굴절 및 투과작용을 통해 전체적으로 직진 지향성을 갖는 평행광으로 시준 또는 프로젝션 처리하는 제2렌즈(L2);를 포함하되, 상기 제1렌즈(L1)는 광원(1)과 특수각을 이루는 오목의 원추면으로 구비되는 제1면(L1R1)과, 볼록형 비구면으로 구비되는 제2면(L1R2)을 포함하며; 상기 제2렌즈(L2)는 상기 제1렌즈(L1)의 제2면(L1R2)에 밀접 및 볼록형 비구면으로 구비되는 제1면(L2R1)과, 볼록형 비구면으로 구비되는 제2면(L2R2)을 포함하는 광학계(100)와 이것이 적용된 자동차용 램프(200)를 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 광로차가 발생되는 현상없이 연속적인 배광을 가능하게 하면서 전방향 발산각을 모두 평행광으로 시준 또는 프로젝션 처리함으로써 효율 높은 직진광 또는 프로젝션광을 만들 수 있으며, 고체 광원인 LD 또는 LED 등을 적용함에 있어 광 손실없이 원거리 조사를 효율화할 수 있다.

Description

자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계와 이것이 적용된 자동차용 램프{LIGHT COLLIMATION AND PROJECTION OPTICAL SYSTEM WITH FULL ANGLE RANGE FOR LAMP OF CAR, CAR LAMP WITH THE SAME}
본 발명은 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계와 이것이 적용된 자동차용 램프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가우시안(Gaussian) 배광형태를 가지는 점광원 모듈 또는 램버시안(Lambertian) 배광형태를 가지는 면광원 모듈에 대해 광분포를 조정하여 점광원에 대해서는 직진 지향성을 갖는 평행광 형태로 시준해주고, 면광원에 대해서는 손실광 없이 프로젝션 처리하며, 광로차에 의한 편차가 발생되는 현상없이 연속적인 배광을 가능하게 하면서 전방향 발산각을 모두 평행광으로 시준 또는 프로젝션 가능하게 하고 효율 높은 직진광 또는 프로젝션광을 만들 수 있도록 하되 광손실 없이 원거리 조사를 가능하게 한 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계와 이것이 적용된 자동차용 램프에 관한 것이다.
종래 자동차용 전조등 조명으로는 전통조명광원인 할로겐램프나 HID방전램프 등이 많이 적용되었는데, 최근에는 자동차용 전조등 조명으로 LD(Laser Diode)나 LED(Light Emitting Diode) 등의 적용이 이루어지고 있으며, 이러한 LD나 LED를 자동차 램프용 조명으로 적용함에 있어 보다 효과적인 사용을 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다.
여기에서, 상기 LD나 LED는 고체 광원(Solid State Lighting)으로서 점광원과 면광원에 각각 해당하며, 기본 배광에 있어서는 LD가 가우시안(Gaussian) 배광형태를 가지고 LED가 램버시안(Lambertian) 배광형태를 갖는 것으로서, 이러한 광원에 대해 일정면적의 평판에 임의의 사이즈와 패턴으로 조명을 조율하도록 광학계가 사용되고 있으며, 북미 표준배광 규정(SAE Standard)이나 우리나라가 사용하고 있는 유럽 표준배광 규정(ECE Regulation)을 만족하도록 하고 있다.
하지만, 아직까지는 종래 전통조명광원과 유사한 형태로 자동차용 전조등 시스템을 개발하고 있는 추세로서, 고체 광원(Solid State Lighting)의 장점인 소형화와 단순화된 구조로 전환하는데 어려움이 있으며, 특히 자동차용 전조등 규격인 북미 표준배광 규정(SAE Standard)이나 우리나라가 사용하고 있는 유럽 표준배광 규정(ECE Regulation)의 배광을 만족하기 위해서는 오히려 더 복잡한 구성을 가지게 되는 등 불합리한 점이 많아 고체 광원(Solid State Lighting)의 특징을 효과적으로 적용하지 못하고 있는 실정에 있다.
여기에서, LED를 자동차 램프용 광원으로 사용시 도 1에서 보여주는 바와 같이, 종래 조명시스템에 사용되고 있는 저가형 LED 시준렌즈를 적용하게 되면, 이는 광원의 발산광에 대해 굴절과 전반사를 유도하는 광학계로서 광로차가 발생되는 구간이 존재하여 전사정보가 왜곡되는 문제점 및 자동차용 램프에 적합한 면광원으로의 확장이 힘든 문제점이 있다. 특히 연속적인 배광형태가 요구되는 북미 표준배광 규정(SAE Standard)이나 유럽 표준배광 규정(ECE Regulation)을 만족하는 배광을 만들지 못하게 된다.
또한, LED 면광원을 자동차 램프용 광원으로 사용시 도 2에서 보여주는 바와 같이, 일반 디스플레이용 프로젝터 광학계를 적용하게 되면, 이는 일정면적의 평판에 임의의 사이즈와 패턴으로 구성된 광원을 그대로 전사하는 것이 가능하나, 입사광에 입사각 제약이 존재하고 광이 잘리는 현상에 의해 광손실이 발생되는 문제점이 발생하게 된다. 다시 말해 NA(Numerical Aperture: 개구수) 한계에 따라 광효율이 저하된다.
또한, 도 3의 (a)에서 보여주는 HID할로겐이 사용되는 종래 전통적인 자동차용 프로젝션 조명의 연장선상에서 이를 응용하여 도 3의 (b)에서 보여주는 바와 같이 광원으로 LED를 채택 및 광학계를 함께 적용하는 경우도 있으나, 이는 고비용과 저효율의 단점이 있고 조명의 패턴 구현이 더 까다로우며, 특히 광학계가 LED의 장점을 제대로 살리지 못함은 물론 광 제어를 위해 컷오프(Cut off) 기구물을 사용하는데 이에 의한 효율저하를 해결하지 못하는 문제점이 있었다.
한편, 자동차 램프용 광학계에 관한 선행기술문헌을 살펴보았을 때, 국내공개특허 제10-2016-0108698호나 국내등록특허 제10-1693922호 등 주로 차량 램프용 LD 광학계를 제안하는 기술들이 개시되어 있었으며, 차량 램프용 LED 광학계를 제안하는 기술은 쉽게 찾아볼 수가 없었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2016-0108698호 대한민국 등록특허공보 제10-1693922호
본 발명은 상술한 종래 문제점을 해소 및 이를 감안하여 안출한 것으로서, 가우시안(Gaussian) 배광형태를 가지는 점광원 모듈 또는 램버시안(Lambertian) 배광형태를 가지는 면광원 모듈에 대해 광분포를 조정하되 점광원에 대해서는 직진 지향성을 갖는 평행광 형태로 시준해줄 수 있도록 하고 면광원에 대해서는 손실광 없이 프로젝션 처리할 수 있도록 하며, 광로차에 의한 편차가 발생되는 현상없이 연속적인 배광을 가능하게 하면서 전방향 발산각을 모두 평행광으로 시준 또는 프로젝션 가능하게 하고 효율 높은 직진광 또는 프로젝션광을 만들 수 있도록 하되 광손실 없이 원거리 조사를 가능하게 하며, 소형 및 콤팩트한 구조로 이루어질 수 있도록 한 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계와 이것이 적용된 자동차용 램프를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 제1렌즈와 제2렌즈로 구성하되 비구면과 굴절작용을 이용하는 효율적인 구조배치설계를 통해 자동차의 램프로 사용되는 고체 광원인 LD 또는 LED에 대해 직진광이나 프로젝션광 처리 및 원거리 조사에 대한 효율성을 높일 수 있도록 하며, 소형 및 콤팩트한 구성으로 렌즈 자체는 물론 자동차용 램프의 체적을 줄일 수 있도록 한 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계와 이것이 적용된 자동차용 램프를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 연속적인 배광형태가 요구되는 북미 표준배광 규정(SAE Standard)이나 유럽 표준배광 규정(ECE Regulation)을 모두 만족시키는 배광을 가능하게 하며, 저가시장은 물론 고급시장의 수요까지 만족시킬 수 있도록 한 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계와 이것이 적용된 자동차용 램프를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계는, 자동차용 전조등 조명으로 사용되는 점광원 모듈 또는 면광원 모듈 타입의 광원(1)에 대해 광분포를 조정해주기 위한 광학계로서; 상기 광원(1)의 앞쪽에 배치되는 렌즈구조체로서 광원(1)의 발산광 전부가 손실없이 입사되도록 구비되며, 입사광에 대해 1차 굴절 및 투과작용을 통해 방사각을 축소 조정하는 제1렌즈(L1); 상기 제1렌즈(L1)의 앞쪽에 밀착 배치되는 렌즈구조체로서 제1렌즈(L1)에 의해 1차 굴절 및 투과된 광에 대해 2차 굴절 및 투과작용을 통해 전체적으로 직진 지향성을 갖는 평행광으로 시준 또는 프로젝션 처리하는 제2렌즈(L2);를 포함하되, 상기 제1렌즈(L1)는 상기 광원(1)과 특수각을 이루는 오목의 원추면으로 구비되는 제1면(L1R1)과, 볼록형 곡면의 비구면으로 구비되는 제2면(L1R2)을 포함하며; 상기 제2렌즈(L2)는 상기 제1렌즈(L1)의 제2면(L1R2)에 중심부분이 밀접 및 볼록형 곡면의 비구면으로 구비되는 제1면(L2R1)과, 볼록형 곡면의 비구면으로 구비되는 제2면(L2R2)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 제1렌즈(L1)와 제2렌즈(L2)에 대해, 상기 제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1) 중심(P)에서 제2면(L1R2) 중심(S0)까지의 거리를 t1, 상기 광원(1)에서 제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1) 중심(P)까지의 거리를 a, 상기 광원(1)의 중심(O)에서 제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1)과 광원(1)의 일측 면이 만나는 지점(R)까지의 거리를 b, 상기 제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1)이 갖는 선분PR과 상기 b와의 사잇각을 α라 할 때,
조건 1) t1 〈 b
조건 2) 1/16 〈 tanα= b/a 〈 1/8에 해당하는 렌즈 구속조건을 만족하도록 구성하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1) 중심(P)에서 상기 제2렌즈(L2)의 제2면(L2R2) 중심(Q)까지의 거리를 t2, 상기 t1과 상기 P점에서 수평으로 ½t1만큼 이동 후 수직선을 연장하여 제1렌즈(L1)의 제2면(L1R2)과 만나는 지점(S1)을 잇는 선분PS1과의 사잇각(∠S0PS1)을 β½, 상기 t1과 상기 P점에서 수평으로 ¾t1만큼 이동 후 수직선을 연장하여 제1렌즈(L1)의 제2면(L1R2)과 만나는 지점(S2)을 잇는 선분PS2과의 사잇각(∠S0PS2)을 β¾, 상기 t1과 상기 P점에서 수평으로 t1만큼 이동 후 수직선을 연장하여 제1렌즈(L1)의 제2면(L1R2)과 만나는 지점(S3)을 잇는 선분PS3과의 사잇각(∠S0PS3)을 β1, 상기 t2와 상기 P점에서 수평으로 ½t2만큼 이동 후 수직선을 연장하여 제2렌즈(L2)의 제2면(L2R2)과 만나는 지점(S4)을 잇는 선분PS4과의 사잇각(∠S0PS4)을 γ라 할 때,
조건 3) 27° 〈 β½ 〈 37°
조건 4) 37° 〈 β¾ 〈 50°
조건 5) 50° 〈 β1 〈 75°
조건 6) 30° 〈 γ 〈 40°에 해당하는 렌즈 구속조건을 만족하도록 구성하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 제1렌즈(L1)와 제2렌즈(L2)는 각각 투광성을 갖는 유리 또는 플라스틱 소재로 이루어지며; 상기 제1렌즈(L1)와 제2렌즈(L2)는 서로 동일한 소재로 구성하거나 또는 서로 다른 소재로 조합하는 구성이 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차용 램프는, 점광원 배열구조 또는 면광원 배열구조를 갖는 광원(1); 상기 광원(1)의 발산광에 대해 광손실 없이 광분포를 조정하여 직진의 지향성을 갖는 평행광으로 시준 또는 프로젝션해주기 위한 것으로서, 상기의 구성을 갖는 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계(100);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 점광원 배열구조를 갖는 광원(1)은, LD 또는 LED 배열을 갖는 모듈이며; 상기 면광원 배열구조를 갖는 광원(1)은, 칩LED 배열을 갖는 COB(Chip On Board)형 LED모듈 또는 MICRO LED 배열을 갖는 MICRO-LED모듈인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 가우시안(Gaussian) 배광형태를 가지는 점광원 모듈에 대해 광분포를 조정하여 광손실없이 직진 지향성을 갖는 평행광 형태로 시준하거나 또는 램버시안(Lambertian) 배광형태를 가지는 면광원 모듈에 대해 손실광 없이 프로젝션 처리하며, 광로차에 의한 편차가 발생되는 현상없이 연속적인 배광을 가능하게 하면서 전방향 발산각을 모두 평행광으로 시준 또는 프로젝션 가능하게 하고 효율 높은 직진광 또는 프로젝션광을 만들되 광손실 없이 원거리 조사를 가능하게 하며, 렌즈 자체는 물론 자동차 램프에 대해 소형 및 콤팩트한 구조를 제공하므로 전체적인 체적을 줄일 수 있는 유용함을 달성할 수 있다.
본 발명은 제1렌즈와 제2렌즈로 구성하되 비구면과 굴절작용을 이용하는 효율적인 구조배치설계를 통해 고체 광원인 LD 또는 LED를 자동차용 램프의 광원으로 적용함에 있어 직진광이나 프로젝션광 처리는 물론 원거리 조사에 대한 효율성을 높일 수 있고, 연속적인 배광형태가 요구되는 북미 표준배광 규정(SAE Standard)이나 유럽 표준배광 규정(ECE Regulation)을 모두 만족시키는 배광을 가능하게 하며, 저가시장은 물론 고급시장의 수요까지 만족시킬 수 있는 유용함을 달성할 수 있다.
도 1은 종래 조명에 사용되는 저가형 LED 시준렌즈를 자동차용 램프의 광학계로 적용하는 예시를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 일반 디스플레이용 프로젝션 광학계를 자동차용 램프의 광학계로 적용하는 예시를 나타낸 도면이다.
도 3은 종래 전통적인 자동차용 프로젝션 광학계를 응용하여 자동차용 램프의 광학계로 적용한 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계를 나타낸 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계에 대한 렌즈 구속조건을 설명하기 위해 나타낸 구성도이다.
도 6 내지 도 29는 본 발명에 따른 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계의 실시예 및 그에 의한 시뮬레이션 데이터를 나타낸 도면이다.
도 30은 본 발명에 있어 칩LED 배열을 이용한 면광원 배열구조를 갖는 광원의 일 유형을 나타낸 예시도이다.
도 31은 본 발명에 따른 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계를 적용한 자동차용 램프의 차량 적용 예시를 나타낸 사용 상태도이다.
도 32는 본 발명에 따른 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계를 자동차용 램프에 실제 적용하여 도출한 시뮬레이션 도면이다.
본 발명에 대해 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같으며, 이와 같은 상세한 설명을 통해서 본 발명의 목적과 구성 및 그에 따른 특징들을 보다 잘 이해할 수 있게 될 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계(100)는 자동차 전조등(head lamp)의 광원으로 LD나 LED 배열구조를 갖는 점광원 또는 칩LED 배열구조를 갖는 면광원의 적용시 자동차용 램프의 효율 향상을 구현하기 위한 것으로서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 광원(1)의 앞쪽에 배치되는 제1렌즈(L1)와 상기 제1렌즈(L1)의 앞쪽에 밀착 배치되는 제2렌즈(L2)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
상기 제1렌즈(L1)는 상기 광원(1)의 앞쪽에 배치되는 렌즈구조체로서, 광원(1)의 발산광 전부가 손실없이 입사되도록 구비되며, 광원(1)의 입사광에 대해 1차 굴절 및 투과작용을 통해 방사각을 축소 조정하는 역할을 담당한다.
이를 위해, 상기 제1렌즈(L1)는 상기 광원(1)과 특수각을 이루는 오목의 원추면으로 구비되는 입사면의 제1면(L1R1)과, 볼록형 곡면의 비구면으로 구비되는 출사면의 제2면(L1R2)을 포함하는 블록형상의 렌즈구조체로 구성한다.
이때, 상기 제1렌즈(L1)은 블록형상의 렌즈구조체이되 중심 수직선을 기준으로 좌우 대칭되는 몸체로 이루어진다.
상기 제2렌즈(L2)는 상기 제1렌즈(L1)의 앞쪽에 밀착 배치되는 렌즈구조체로서, 제1렌즈(L1)에 의해 1차 굴절 및 투과된 광에 대해 연속적인 2차 굴절 및 투과작용을 통해 전체적으로 직진 지향성을 갖는 평행광으로 시준 또는 손실광 없이 프로젝션 처리하는 역할을 담당한다.
이를 위해, 상기 제2렌즈(L2)는 상기 제1렌즈(L1)의 제2면(L1R2)에 중심부분이 밀접 및 볼록형 곡면의 비구면으로 구비되는 입사면의 제1면(L2R1)과, 볼록형 곡면의 비구면으로 구비되는 출사면의 제2면(L2R2)을 포함하는 블록형상의 렌즈구조체로 구성한다.
이때, 상기 제1렌즈(L1)은 블록형상의 렌즈구조체이되 중심 수직선을 기준으로 좌우 대칭되는 몸체로 이루어진다.
여기에서, 상기 제1렌즈(L1)의 제2면(L1R2)과 제2렌즈(L2)의 제1면(L2R1) 및 제2면(L2R2)에 대해 비구면을 적용함으로써 비구면에 대한 곡률값을 적절하게 조정할 수 있고 시준 광학계(100)의 형상 구조를 적정범위 내에서 용이하게 수정 및 변형할 수 있으며, 이를 통해 광원(1)의 발산광에 대한 입사측과 출사측 방사경로를 임의대로 자유롭게 조정할 수 있고 자동차용 램프의 기능에 맞춰 효과적으로 광분포를 조정 및 제어할 수 있는 장점을 제공할 수 있으며 평행광으로의 시준 또는 프로젝션 처리를 매우 효과적으로 유도할 수 있다.
상기 제1렌즈(L1)와 제2렌즈(L2)는 각각 외곽으로 퍼지는 광에 대해 굴절기능을 하고 직진성의 광에 대해 투과기능을 하여 광원(1)의 발산광 전부를 손실없이 직진의 지향성을 갖는 평행광으로 만들어내거나 또는 프로젝션 처리를 통해 프로젝션광을 만들어낸다.
이때, 상기 제1렌즈(L1)와 제2렌즈(L2)는 각각 투광성을 갖는 유리 또는 플라스틱 소재로 이루어지는데, 플라스틱 소재로는 아크릴이나 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등을 사용할 수 있다.
여기에서, 상기 제1렌즈(L1)와 제2렌즈(L2)는 서로 동일한 소재로 구성하거나 또는 서로 다른 소재로 조합하는 구성이 가능하다.
예를 들면, 상기 제1렌즈(L1)와 제2렌즈(L2)를 모두 유리 소재로 구성할 수 있고, 상기 제1렌즈(L1)와 제2렌즈(L2)를 모두 플라스틱 소재로 구성할 수 있고, 상기 제1렌즈(L1)는 유리 소재로 하고 상기 제2렌즈(L2)는 플라스틱 소재로 구성할 수 있으며, 상기 제1렌즈(L1)는 플라스틱 소재로 하고 상기 제2렌즈(L2)는 유리 소재로 구성할 수 있다.
특히, 상기 제1렌즈(L1)와 제2렌즈(L2)에 대해서는 자동차용 램프의 구성요소가 되는 광원(1)의 발산광에 대한 굴절 및 투과작용을 효과적으로 유도하고 광분포 조정을 통한 효율적인 평행광 시준 또는 프로젝션 처리를 위하여 각 렌즈의 전체적인 형상과 크기를 제어함이 바람직하다.
이를 위해, 도 5를 참조하여 상기 제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1) 중심(P)에서 제2면(L1R2) 중심(S0)까지의 거리를 t1이라 하고, 상기 광원(1)에서 제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1) 중심(P)까지의 거리를 a라 하고, 상기 광원(1)의 중심(O)에서 제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1)과 광원(1)의 일측 면이 만나는 지점(R)까지의 거리를 b라 하며, 상기 제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1)이 갖는 선분PR과 상기 b와의 사잇각을 α라 할 때,
아래의 조건 1 및 조건 2에 해당하는 렌즈 구속조건을 만족하도록 구성함이 바람직하다.
조건 1) t1 〈 b
조건 2) 1/16 〈 tanα= b/a 〈 1/8
이에 더하여, 상기 제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1) 중심(P)에서 상기 제2렌즈(L2)의 제2면(L2R2) 중심(Q)까지의 거리를 t2라 하고, 상기 t1과 상기 P점[제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1) 중심]에서 수평으로 ½t1만큼 이동 후 수직선을 연장하여 제1렌즈(L1)의 제2면(L1R2)과 만나는 지점(S1)을 잇는 선분PS1과의 사잇각(∠S0PS1)을 β½라 하고, 상기 t1과 상기 P점[제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1) 중심]에서 수평으로 ¾t1만큼 이동 후 수직선을 연장하여 제1렌즈(L1)의 제2면(L1R2)과 만나는 지점(S2)을 잇는 선분PS2과의 사잇각(∠S0PS2)을 β¾라 하고, 상기 t1과 상기 P점[제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1) 중심]에서 수평으로 t1만큼 이동 후 수직선을 연장하여 제1렌즈(L1)의 제2면(L1R2)과 만나는 지점(S3)을 잇는 선분PS3과의 사잇각(∠S0PS3)을 β1라 하며, 상기 t2와 상기 P점[제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1) 중심]에서 수평으로 ½t2만큼 이동 후 수직선을 연장하여 제2렌즈(L2)의 제2면(L2R2)과 만나는 지점(S4)을 잇는 선분PS4과의 사잇각(∠S0PS4)을 γ라 할 때,
아래의 조건 3 내지 조건 6에 해당하는 렌즈 구속조건을 더 만족하도록 구성할 수도 있다.
조건 3) 27° 〈 β½ 〈 37°
조건 4) 37° 〈 β¾ 〈 50°
조건 5) 50°〈 β1 〈 75°
조건 6) 30° 〈 γ 〈 40°
한편, 도 6 내지 도 29는 이와 같은 상술한 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계(100)의 실시예 및 그에 의한 시뮬레이션 데이터를 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 11은 본 발명에 따른 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계(100)에 있어 상기 제1렌즈(L1)와 제2렌즈(L2)를 모두 유리 소재로 구성한 실시예 및 그에 의한 시뮬레이션 데이터로서, 도 6은 칩LED를 이용한 면광원 배열구조를 갖는 장방형 몸체의 광원에 대해 광분포 조정상태를 보여주는 데이터이고, 도 7는 LED를 이용한 점광원 배열구조를 갖는 장방형 몸체의 광원에 대해 광분포 조정상태를 보여주는 데이터이고, 도 8은 본 발명의 시준 및 프로젝션 광학계(100)를 적용한 수차 개선 데이터 등을 포함하는 광 추적 분석상태를 보여주는 데이터이고, 도 9는 본 발명의 시준 및 프로젝션 광학계(100)를 통해 광원의 발산광에 대해 손실광 없이 광분포를 조정 및 원거리 조사하는 상태를 보여주는 데이터이고, 도 10은 본 발명의 시준 및 프로젝션 광학계(100)로 입사되는 광원의 최외각에 대한 반각 데이터로서 Full각 180도가 모두 입사됨을 보여주는 데이터이며, 도 11은 본 발명의 시준 및 프로젝션 광학계(100)의 제1렌즈와 제2렌즈에 대한 코닉상수 및 비구면계수를 포함하는 데이터로서 비구면을 적용한 상태를 보여주는 데이터이다.
도 12 내지 도 17은 본 발명에 따른 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 광학계(100)에 있어 상기 제1렌즈(L1)를 유리 소재로 하고 상기 제2렌즈(L2)를 플라스틱 소재로 구성한 실시예 및 그에 의한 시뮬레이션 데이터로서, 도 12는 칩LED를 이용한 면광원 배열구조를 갖는 장방형 몸체의 광원에 대해 광분포 조정상태를 보여주는 데이터이고, 도 13은 LED를 이용한 점광원 배열구조를 갖는 장방형 몸체의 광원에 대해 광분포 조정상태를 보여주는 데이터이고, 도 14는 본 발명의 시준 및 프로젝션 광학계(100)를 적용한 수차 개선 데이터 등을 포함하는 광 추적 분석상태를 보여주는 데이터이고, 도 15는 본 발명의 시준 및 프로젝션 광학계(100)를 통해 광원의 발산광에 대해 손실광 없이 광분포를 조정 및 원거리 조사하는 상태를 보여주는 데이터이고, 도 16은 본 발명의 시준 및 프로젝션 광학계(100)로 입사되는 광원의 최외각에 대한 반각 데이터로서 Full각 180도가 모두 입사됨을 보여주는 데이터이며, 도 17은 본 발명의 시준 및 프로젝션 광학계(100)의 제1렌즈와 제2렌즈에 대한 코닉상수 및 비구면계수를 포함하는 데이터로서 비구면을 적용한 상태를 보여주는 데이터이다.
도 18 내지 도 23은 본 발명에 따른 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 광학계(100)에 있어 상기 제1렌즈(L1)를 플라스틱 소재로 하고 상기 제2렌즈(L2)를 유리 소재로 구성한 실시예 및 그에 의한 시뮬레이션 데이터로서, 도 18은 칩LED를 이용한 면광원 배열구조를 갖는 장방형 몸체의 광원에 대해 광분포 조정상태를 보여주는 데이터이고, 도 19는 LED를 이용한 점광원 배열구조를 갖는 장방형 몸체의 광원에 대해 광분포 조정상태를 보여주는 데이터이고, 도 20은 본 발명의 시준 및 프로젝션 광학계(100)를 적용한 수차 개선 데이터 등을 포함하는 광 추적 분석상태를 보여주는 데이터이고, 도 21은 본 발명의 시준 및 프로젝션 광학계(100)를 통해 광원의 발산광에 대해 손실광 없이 광분포를 조정 및 원거리 조사하는 상태를 보여주는 데이터이고, 도 22는 본 발명의 시준 및 프로젝션 광학계(100)로 입사되는 광원의 최외각에 대한 반각 데이터로서 Full각 180도가 모두 입사됨을 보여주는 데이터이며, 도 23은 본 발명의 시준 및 프로젝션 광학계(100)의 제1렌즈와 제2렌즈에 대한 코닉상수 및 비구면계수를 포함하는 데이터로서 비구면을 적용한 상태를 보여주는 데이터이다.
도 24 내지 도 29는 본 발명에 따른 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 광학계(100)에 있어 상기 제1렌즈(L1)를 모두 플라스틱 소재로 구성한 실시예 및 그에 의한 시뮬레이션 데이터로서, 도 24는 칩LED를 이용한 면광원 배열구조를 갖는 장방형 몸체의 광원에 대해 광분포 조정상태를 보여주는 데이터이고, 도 25는 LED를 이용한 점광원 배열구조를 갖는 장방형 몸체의 광원에 대해 광분포 조정상태를 보여주는 데이터이고, 도 26은 본 발명의 시준 및 프로젝션 광학계(100)를 적용한 수차 개선 데이터 등을 포함하는 광 추적 분석상태를 보여주는 데이터이고, 도 27은 본 발명의 시준 및 프로젝션 광학계(100)를 통해 광원의 발산광에 대해 손실광 없이 광분포를 조정 및 원거리 조사하는 상태를 보여주는 데이터이고, 도 28은 본 발명의 시준 및 프로젝션 광학계(100)로 입사되는 광원의 최외각에 대한 반각 데이터로서 Full각 180도가 모두 입사됨을 보여주는 데이터이며, 도 29는 본 발명의 시준 및 프로젝션 광학계(100)의 제1렌즈와 제2렌즈에 대한 코닉상수 및 비구면계수를 포함하는 데이터로서 비구면을 적용한 상태를 보여주는 데이터이다.
즉, 도 6 내지 도 29에 나타낸 각각의 시뮬레이션 데이터 등을 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계(100)는 점광원이나 면광원의 적용에 관계없이 발산광의 전부를 손실없이 입사광으로 받아 처리할 수 있으면서 광 제어시 광로차에 의한 편차가 발생되는 현상없이 연속적인 배광을 가능하게 하고 전방향 발산각을 모두 평행광으로 시준 또는 프로젝션 처리하는 등 효율 높은 직진광 또는 프로젝션광을 만들 수 있으며, 비구면과 굴절작용을 이용함으로써 자동차의 램프로 사용되는 고체 광원인 LD 또는 LED 등에 대해 광 손실없이 원거리 조사를 가능하게 함은 물론 원거리 조사에 대한 효율성을 높일 수 있는 광 제어를 수행할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계(100)를 적용함으로써 자동차용 램프에 대해 북미 표준배광 규정(SAE Standard)이나 유럽 표준배광 규정(ECE Regulation)을 모두 만족시키는 배광을 가능하게 하며, 저가시장은 물론 고급시장의 수요까지 만족시킬 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
나아가, 이와 같은 상술한 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계(100)는 점광원 배열구조 또는 면광원 배열구조를 갖는 광원(1)에 적용함으로써 도 31에 나타낸 바와 같이 상기 광원(1)과 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계(100)를 포함하는 자동차용 램프(200)를 제공할 수 있으며, 상기 광원(1)의 발산광에 대해 광손실 없이 광분포를 조정하여 자동차용 램프(전조등)에 적합한 직진의 지향성을 갖는 평행광 또는 프로젝션 처리된 프로젝션광을 제공할 수 있다.
이때, 상기 광원(1)은 LD나 LED 배열을 갖는 모듈의 점광원 배열구조 또는 칩LED 배열을 갖는 COB(Chip On Board)형 LED모듈이나 MICRO LED 배열을 갖는 모듈의 면광원 배열구조를 적용할 수 있다.
도 30은 칩LED 배열을 이용한 COB(Chip On Board)형 LED모듈의 면광원 배열구조를 갖는 광원의 일 유형을 보여주는 예시로서, CSP-LED모듈을 보여준다.
또한, 자동차의 AFS 헤드램프 등에 사용되는 MICRO-LED모듈을 광원(1)으로 채택할 수도 있으며, LED 배열을 이용하여 하이빔이나 로우빔에 적합한 새로운 구조로 MICRO-LED모듈을 설계할 수 있다.
도 31은 본 발명에 따른 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계(100)를 포함하는 자동차용 램프(200)에 있어 차량 내 하이빔(High beam)과 로우빔(Low beam)의 적용 예시를 보여준다.
한편, 도 32는 본 발명에 따른 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계를 자동차용 램프에 실제 적용하여 도출한 시뮬레이션 도면으로서, (a)는 MICRO LED 배열을 갖는 면광원 모듈을 로우빔(Low beam) 용도로 설계한 광원에 대해 본 발명의 광학계를 적용할 시 광을 조정하는 상태를 보여주는 광 추적도이며, 광원의 발산광에 대해 프로젝션 하여 로우빔(Low beam) 용도에 맞게 Low Passing beam(로우빔, 변환빔) 처리 가능함을 보여주고 있다.
여기에서, 도 32의 (b)는 유럽 표준배광 규정(ECE Regulation Class B)이 갖는 각 테스트 지점에서의 각도 좌표와 광도 수치를 나타낸 기준 표로서, 본 발명의 광학계를 적용시 이러한 유럽 표준배광 규정(ECE Regulation Class B)을 만족시킬 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과한 것으로서, 이러한 실시예에 특별히 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 기술분야의 당업자에 의하여 수정과 변형 또는 치환이 이루어질 수 있다 할 것이며, 이는 본 발명의 기술적 범주에 속한다 할 것이다.
1: 광원 100: 시준 및 프로젝션 광학계
L1: 제1렌즈 L1R1: 제1면
L1R2: 제2면 L2: 제2렌즈
L2R1: 제1면 L2R2: 제2면
200: 자동차용 램프

Claims (6)

  1. 자동차용 전조등 조명으로 사용되는 점광원 배열구조 또는 면광원 배열구조를 갖는 광원(1)에 대해 광분포를 조정하여주기 위한 광학계로서;
    상기 광원(1)의 앞쪽에 배치되는 렌즈구조체로서 광원(1)의 발산광 전부가 손실없이 입사되도록 구비되며, 입사광에 대해 1차 굴절 및 투과작용을 통해 방사각을 축소 조정하는 제1렌즈(L1); 상기 제1렌즈(L1)의 앞쪽에 밀착 배치되는 렌즈구조체로서 제1렌즈(L1)에 의해 1차 굴절 및 투과된 광에 대해 2차 굴절 및 투과작용을 통해 전체적으로 직진 지향성을 갖는 평행광으로 시준 또는 프로젝션 처리하는 제2렌즈(L2); 를 포함하되,
    상기 제1렌즈(L1)는,
    상기 광원(1)과 특수각을 이루는 오목의 원추면으로 구비되는 제1면(L1R1)과, 볼록형 곡면의 비구면으로 구비되는 제2면(L1R2)을 포함하며;
    상기 제2렌즈(L2)는,
    상기 제1렌즈(L1)의 제2면(L1R2)에 중심부분이 밀접 및 볼록형 곡면의 비구면으로 구비되는 제1면(L2R1)과, 볼록형 곡면의 비구면으로 구비되는 제2면(L2R2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1렌즈(L1)와 제2렌즈(L2)에 대해,
    상기 제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1) 중심(P)에서 제2면(L1R2) 중심(S0)까지의 거리를 t1, 상기 광원(1)에서 제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1) 중심(P)까지의 거리를 a, 상기 광원(1)의 중심(O)에서 제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1)과 광원(1)의 일측면이 만나는 지점(R)까지의 거리를 b, 상기 제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1)이 갖는 선분PR과 상기 b와의 사잇각을 α라 할 때,
    조건 1) t1 〈 b
    조건 2) 1/16 〈 tanα= b/a 〈 1/8에 해당하는 렌즈 구속조건을 만족하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1렌즈(L1)의 제1면(L1R1) 중심(P)에서 상기 제2렌즈(L2)의 제2면(L2R2) 중심(Q)까지의 거리를 t2, 상기 t1과 상기 P점에서 수평으로 ½t1만큼 이동 후 수직선을 연장하여 제1렌즈(L1)의 제2면(L1R2)과 만나는 지점(S1)을 잇는 선분PS1과의 사잇각(∠S0PS1)을 β½, 상기 t1과 상기 P점에서 수평으로 ¾t1만큼 이동 후 수직선을 연장하여 제1렌즈(L1)의 제2면(L1R2)과 만나는 지점(S2)을 잇는 선분PS2과의 사잇각(∠S0PS2)을 β¾, 상기 t1과 상기 P점에서 수평으로 t1만큼 이동 후 수직선을 연장하여 제1렌즈(L1)의 제2면(L1R2)과 만나는 지점(S3)을 잇는 선분PS3과의 사잇각(∠S0PS3)을 β1, 상기 t2와 상기 P점에서 수평으로 ½t2만큼 이동 후 수직선을 연장하여 제2렌즈(L2)의 제2면(L2R2)과 만나는 지점(S4)을 잇는 선분PS4과의 사잇각(∠S0PS4)을 γ라 할 때,
    조건 3) 27° 〈 β½ 〈 37°
    조건 4) 37° 〈 β¾ 〈 50°
    조건 5) 50° 〈 β1 〈 75°
    조건 6) 30° 〈 γ 〈 40° 에 해당하는 렌즈 구속조건을 만족하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1렌즈(L1)와 제2렌즈(L2)는 각각 투광성을 갖는 유리 또는 플라스틱 소재로 이루어지며;
    상기 제1렌즈(L1)와 제2렌즈(L2)는 서로 동일한 소재로 구성하거나 또는 서로 다른 소재로 조합하는 구성이 가능한 것을 특징으로 하는 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계.
  5. 점광원 배열구조 또는 면광원 배열구조를 갖는 광원(1);
    상기 광원(1)의 발산광에 대해 광손실 없이 광분포를 조정하여 직진의 지향성을 갖는 평행광으로 시준 또는 프로젝션해주기 위한 것으로서, 상기 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 의한 구성을 갖는 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 및 프로젝션 광학계(100); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 램프.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 점광원 배열구조를 갖는 광원(1)은,
    LD 또는 LED 배열을 갖는 모듈이며;
    상기 면광원 배열구조를 갖는 광원(1)은,
    칩LED 배열을 갖는 COB(Chip On Board)형 LED모듈 또는 MICRO LED 배열을 갖는 MICRO-LED모듈인 것을 특징으로 하는 자동차용 램프.
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