KR20190081640A - 차량용 광학계 및 이를 이용한 차량용 램프 - Google Patents

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KR20190081640A
KR20190081640A KR1020170184324A KR20170184324A KR20190081640A KR 20190081640 A KR20190081640 A KR 20190081640A KR 1020170184324 A KR1020170184324 A KR 1020170184324A KR 20170184324 A KR20170184324 A KR 20170184324A KR 20190081640 A KR20190081640 A KR 20190081640A
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김형도
류재명
류창호
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에스엘 주식회사
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    • F21S41/20—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by refractors, transparent cover plates, light guides or filters
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Abstract

본 발명은 광학계에 관한 것으로, 복수의 렌즈를 포함하고, 빛이 렌즈를 통과하여 맺히는 이미지의 픽셀 크기가 중앙에서 외곽으로 갈수록 왜곡되는 방향으로 커지거나 작아지도록 왜곡을 발생시키며, 왜곡은 수평 방향 왜곡의 정도와 수직 방향 왜곡의 정도가 서로 상이하고, 빛이 출사되는 광학계의 아나몰픽 면은 수평 방향으로 오목하고 수직 방향으로 볼록하거나, 수평 방향으로 볼록하고 수직 방향으로 오목한 saddle 형태인 것을 특징으로 함으로써 왜곡을 통해 정사각형의 광원을 차량 광원에 적합한 형태로 변화시킬 수 있다.

Description

차량용 광학계 및 이를 이용한 차량용 램프{Optical system for vehicles and vehicle lamp using the same}
본 발명은 차량용 광학계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 왜곡을 통해 중심과 외곽의 이미지 픽셀의 크기가 달라지는 차량용 광학계 및 이를 이용한 차량용 램프에 관한 것이다.
일반적으로, 차량은 야간 주행 시에 차량 주변에 위치한 대상물을 용이하게 확인하기 위한 조명 기능 및 다른 차량이나 도로 이용자들에게 차량의 주행 상태를 알리기 위한 신호 기능을 가지는 다양한 종류를 램프를 구비하고 있다.
예를 들어, 주로 조명 기능을 목적으로 하는 헤드 램프(Head lamp) 및 포그 램프(Fog lamp)와, 신호 기능을 목적으로 하는 턴 시그널 램프(Turn signal lamp), 테일 램프(Tail lamp), 브레이크 램프(Brake lamp), 사이드 마커(Side Marker) 등을 구비하고 있으며, 이러한 차량용 램프는 각 기능을 충분히 발휘하도록 그 설치 기준과 규격에 대해서 법규로 규정되어 있다.
차량용 램프들 중, 헤드 램프는 야간과 같이 주변 환경이 어두운 상황에서 차량을 주행하는 경우, 운전자의 전방 시야가 확보되도록 로우 빔 패턴이나 하이 빔 패턴을 형성하는 것으로서, 안전 운행을 하는데 있어 매우 중요한 역할을 하고 있다.
이러한 헤드 램프는, 반대 방향으로 주행하는 대향 차량의 운전자 또는 선행 차량 운전자에게 눈부심 유발을 예방하도록 평상 시에는 주로 로우 빔 패턴을 유지하고, 고속 주행 시 또는 주변 밝기가 어두운 곳을 운행하는 경우에는 필요에 따라 하이 빔 패턴을 형성하여 안전운전을 도모하도록 하고 있다.
그런데, 대향 차량 또는 선행 차량을 인지하지 못한 상태에서 하이 빔 패턴을 형성하고 주행하는 경우가 있으며, 이의 경우 대향 차량 운전자 또는 선행 차량 운전자에게 눈부심을 유발시킴으로써, 안전사고의 우려가 큰 문제점이 있다.
이에, 최근에는 하이 빔 패턴을 형성한 상태로 주행 중에, 대향 차량 또는 선행 차량이 감지되면, 램프의 광 조명 각도, 밝기, 폭 및 길이 등을 자동으로 조정함으로써, 대향 차량 또는 선행 차량 운전자에게 눈부심을 유발시키지 않도록 하는 ADB(Adaptive Driving Beam) 헤드 램프, 즉 적응형 헤드 램프가 제공되고 있다.
적응형 헤드 램프는 복수의 광원들을 선택적으로 점등 또는 소등시킴으로써, 대향 차량 또는 선행 차량이 위치하는 공간에 암영대가 형성되도록 하는데, 이를 구현하기 위하여, 복수의 엘이디로 구성된다.
복수의 엘이디로 구성되는 빔은 엘이디의 정사각형 형태에 따라 빛이 맺히는 이미지 픽셀 또한 정사각형으로 형성되는데, 이를 차량에 적합한 형태로 변형시킬 필요가 있다.
한국공개특허 제10-2017-0099135호
본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는, 왜곡을 통해 중심과 외곽의 이미지 픽셀의 크기가 달라지는 차량용 광학계를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는, 왜곡을 통해 중심과 외곽의 이미지 픽셀의 크기가 달라지는 차량용 램프를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 광학계는 복수의 렌즈를 포함하고, 빛이 렌즈를 통과하여 맺히는 이미지의 픽셀 크기가 중앙에서 외곽으로 갈수록 왜곡되는 방향으로 커지거나 작아지도록 왜곡을 발생시키며, 상기 왜곡은, 수평 방향 왜곡의 정도와 수직 방향 왜곡의 정도가 서로 상이하고, 상기 빛이 출사되는 광학계의 아나몰픽 면은, 수평 방향으로 오목하고 수직 방향으로 볼록하거나, 수평 방향으로 볼록하고 수직 방향으로 오목한 saddle 형태인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이미지의 픽셀의 크기는, 좌우 또는 상하 방향의 외곽으로 갈수록 커지거나 작아질 수 있고, 상기 왜곡은 상기 광학계의 아나몰픽 면의 형상에 따라 발생될 수 있다.
또한, 상기 광학계의 아나몰픽 면(las)은,
하기의 조건식을 만족하거나,
[조건식]
Figure pat00001
, (c: 곡률)
하기의 조건식을 만족하거나,
[조건식]
Figure pat00002
, (
Figure pat00003
, c: 곡률, s0.1: 렌즈 중심으로부터 렌즈 1/10 높이까지의 sag 값)
하기의 조건식을 만족하거나,
[조건식]
Figure pat00004
, (K: conic constant, c: 곡률, D: 렌즈 직경)
하기의 조건식을 만족하거나,
[조건식]
Figure pat00005
, (A: 비구면 4차항 계수, D: 렌즈 직경)
하기의 조건식을 만족할 수 있다.
[조건식]
Figure pat00006
, (K: conic constant, c: 곡률, A: 비구면 4차항 계수)
또한, NA가 0.7 이상일 수 있다.
또한, 상기 빛이 입사되는 광학계의 첫 번째 렌즈(first)는, 하기의 조건식을 만족하거나,
[조건식]
Figure pat00007
, (d: 렌즈 두께, D: 렌즈 직경)
아베수가 45 이상일 수 있다.
또한, 상기 광학계에 포함된 모든 렌즈의 평균 굴절률이 1.6 내지 1.8일 수 있다.
상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 램프는, 광원; 및 복수의 렌즈로 구성되고, 상기 광원으로부터 출사된 빛을 투과하는 광학 렌즈를 포함하고, 상기 광학 렌즈를 투과하여 출사되는 빛이 맺히는 이미지의 픽셀 크기가 중앙에서 외곽으로 갈수록 왜곡되는 방향으로 커지거나 작아지도록 왜곡을 발생시키며, 상기 왜곡은, 수평 방향 왜곡의 정도와 수직 방향 왜곡의 정도가 서로 상이하고, 상기 빛이 출사되는 광학 렌즈의 아나몰픽 면은, 수평 방향으로 오목하고 수직 방향으로 볼록하거나, 수평 방향으로 볼록하고 수직 방향으로 오목한 saddle 형태인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이미지의 픽셀 크기는, 좌우 방향의 외곽으로 갈수록 커지거나 작아질 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따르면 왜곡을 통해 정사각형의 광원을 차량 광원에 적합한 직사각형 형태로 변화시킬 수 있다. 또한, 직사각형 형태를 형성하더라도 중앙에서의 광도를 유지할 수 있다. 나아가, NA가 높은 광학계를 구현하여 광학계의 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계를 통과하여 맺히는 이미지를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계의 수직 방향 및 수평 방향 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계의 왜곡 그리드를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계의 제 1 렌즈의 형상을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광학계의 특성을 나타낸 조건식을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학계를 도시한 것이다.
도 8 및 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학계의 수직 방향 및 수평 방향 단면도이다.
도 9 및 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학계의 왜곡 그리드를 나타낸 것이다.
도 10 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학계의 제 1 렌즈의 형상을 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 램프를 도시한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
차량에 이용되는 광학계의 경우, 차량의 빔패턴이 좌우비율이 상하비율보다 크게 형성되어야 한다. 상하비율보다 좌우비율이 넓은 직사각형 형태를 가지는 빔패턴의 이미지 상 하나의 픽셀을 형성하는데 복수의 광원을 겹쳐서 사용할 수 있다. 하나의 직사각형 단위 패턴을 만들기 위해서 복수의 광원을 이용하는 것은 비효율적이고 비용이 올라간다. 하지만, 하나의 광원만을 사용하되 좌우비율을 상하비율보다 크도록 왜곡을 발생시켜 이미지 픽셀을 형성하도록 하면, 복수의 광원을 겹치지 않고 하나의 광원만으로 직사각형의 이미지 픽셀을 형성할 수 있다. 따라서, 광원을 효율적으로 사용할 수 있고, 적은 비용으로 필요한 빔 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 차량에서의 빔 패턴, 특히 하이빔에서 중앙의 광도가 중요하다. 중앙에서 일정 이상의 광도를 유지하도록, 중앙에서는 왜곡이 크지 않고, 외곽으로 갈 수록 왜곡을 커지거나 작아지도록 형성할 필요가 있다.
상기와 같이 차량에 적합한 형태로 왜곡을 발생시키기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계는 복수의 렌즈로 구성되며, 빛이 렌즈를 통과하여 맺히는 이미지의 픽셀 크기가 중앙에서 외곽으로 갈수록 왜곡되는 방향으로 커지거나 작아지도록 왜곡을 발생시킨다. 도 1과 같이, 113 렌즈의 우측에 광원을 위치시키고, 광원에서 빛을 출사하면, 광원에서 출사된 빛은 복수의 렌즈(113 -> 112 -> 111)를 차례로 통과하여, 광학계의 아나몰픽 면(114)으로 출사된다. 아나몰픽 면(114)으로 출사된 빛이 맺히는 이미지의 픽셀 크기가 중앙에서 외곽으로 갈수록 왜곡되는 방향으로 커지는 왜곡을 발생시키는 광학계를 형성하고자 한다. 또는 광원을 아나몰픽 면(114) 좌측에 위치시키고, 광원에서 빛을 출사하면, 광원에서 출사된 빛은 아나몰픽 면(114)으로 입사되어 복수의 렌즈(111 -> 112 -> 113)를 차례로 통과하여 출사된다. 이때 출사된 빛이 맺히는 이미지의 픽셀 크기가 중앙에서 외곽으로 갈수록 왜곡되는 방향으로 작아지는 왜곡이 발생될 수 있다.
상기 왜곡에 의해 상기 이미지의 픽셀의 크기는 좌우 또는 상하 방향의 외곽으로 갈수록 커진다. 상기 왜곡은 좌우, 상하 또는 상하좌우에 발생시킬 수 있다.
좌우 방향으로 왜곡을 발생시키는 경우, 도 2와 같이, 빛이 왜곡이 없이 광학계(정방형 광학계)를 통과하여 맺히는 이미지는 도 2(A)와 같다면, 중앙에서 좌우 외곽으로 갈수록 왜곡되는 방향으로 커지도록 왜곡을 발생시키는 광학계를 통과하면, 이미지는 도 2(B)와 같이 맺힐 수 있다. 도 2(A)는 픽셀의 크기가 중앙이나 외곽이나 동일하나, 도 2(B)는 중앙에서 좌우외곽으로 멀어질수록 이미지 픽셀의 좌우크기가 커지는 것을 알 수 있다. 즉, 차량 광학계에서 필요한 좌우비율이 상하비율보다 넓고, 중앙에서는 픽셀의 크기가 작아지면서 광도를 유지하며, 외곽으로 갈수록 픽셀의 크기가 커져 좌우비율이 넓은 빔 패턴을 형성할 수 있다.
좌우 또는 상하 방향으로 왜곡을 발생시키기 위하여, 수평 방향 왜곡의 정도와 수직 방향 왜곡의 정도가 서로 상이하게 구현한다. 도 2(B)와 같이 좌우가 확장되는 형태의 왜곡의 경우에는 수평 방향 왜곡의 정도가 수직 방향 왜곡의 정도보다 크게 형성된다. 이러한 광학계를 90도 돌리면 수직 방향 왜곡의 정도가 수평 방향 왜곡의 정도보다 크게 형성될 것이다.
상기 왜곡은 광학계의 아나몰픽 면(114)의 형상에 따라 발생될 수 있다. 빛이 광학계를 통과하여 출사되는 아나몰픽 면의 형상에 의한 영향을 가장 크게 받는바, 아나몰픽 면(114)의 형상을 조절하여 왜곡을 발생시킬 수 있다.
수평 방향 왜곡의 정도와 수직 방향 왜곡의 정도를 다르게 구현하기 위하여, 수평 화각과 수직 화강이 서로 다르게 형성해야하며, 이는 광학계가 회전대칭이 아닌, 수평(장변)과 수직(단변)에 대해 좌우 및 상하 대칭인 아나몰픽(anamorphic) 면을 이용할 수 있다.
아나몰픽 면을 형성하기 위하여, 광학계의 아나몰픽 면(114)은 수평 방향으로 오목하고 수직 방향으로 볼록하거나, 수평 방향으로 볼록하고 수직 방향으로 오목한 saddle 형태일 수 있다.
아나몰픽(anamorphic) 광학계의 경우 수직과 수평 화각이 달라 수평 방향으로는 화각을 넓게 하고, 수직 방향으로는 화각을 좁게 하기 위해서는 수평 방향으로는 광학계의 아나몰픽 면(114)이 빛 출사면 방향으로 오목한 면이 되어야 음의 초점거리가 구현되고, 반대로 수직 방향으로는 광학계의 아나몰픽 면(114)이 빛 출사면 방향으로 볼록한 면이 되어야 양의 초점거리가 구현된다. 따라서, 아나몰픽 면(114)은 수평 방향은 오목한 형상, 수직 방향은 볼록한 형상을 갖는 saddle 면 형태가 되도록 형성할 수 있다.
아나몰픽 면 이외의 다른 광학계의 면들은 볼록으로 형성되거나, 오목으로 형성되거나, saddle 형태로 구현될 수 있다. 렌즈가 3 개 인 경우, 아나몰픽 면은 saddle 형태, 제 3 면은 볼록, 제 5 면은 볼록 제 6 면은 평면으로 형성할 수 있다. 제 6 면은 볼록 또는 오목으로 형성되더라도 평면에 가깝게 형성될 수 있다. 제 2 면 및 제 4 면은 볼록 또는 오목으로 형성될 수 있다.
수평 왜곡과 수직 왜곡을 다르게 발생시켜 도 2(B)와 같은 이미지가 맺히도록 하기 위하여, 광학면의 아나몰픽 면(114)은 수평 방향의 곡률과 수직 방향의 곡률이 서로 상이하게 형성할 수 있다. 이를 통해, 수평 방향과 수직 방향의 초점거리를 다르게 하여, 수평과 수직에 대해 서로 다른 화각을 갖도록 할 수 있다. 이때, 수평 방향의 곡률과 수직 방향의 곡률이 하기 조건식(수학식1)을 만족하도록 광학계의 아나몰픽 면(las)을 형성될 수 있다.
Figure pat00008
여기서, c는 곡률이다. Clas_x는 아나몰픽 면(las)의 수평 방향의 곡률이고, Clas_y는 아나몰픽 면(las)의 수직 방향의 곡률이다.
이때, 광학계의 곡률은 렌즈면의 중심 근처의 sag 값으로부터 결정될 수 있다. 광학계의 초점거리 등의 1차량을 결정하는 함에 있어서 근축광선추적(paraxial ray-tracing)을 이용할 수 있다. 근축광선추적에서 광학면은 sag값이 매우 작은 포물면으로 근사하여 계산하게 된다. 또한 정점 근처에서 계산되기 때문에 다음 수학식 2와 같은 수식에서 보는 것처럼, 곡률과 sag값은 비례한다는 것을 알 수 있다.
Figure pat00009
여기서, s는 sag 값을 의미하고, s0.1은 렌즈 중심으로부터 렌즈 1/10 높이까지의 sag 값이다. s0.1은 도 6(A)와 같이 산출될 수 있다.
따라서, 광학계의 아나몰픽 면(las)은 하기의 조건식(수학식 3)을 만족하도록 형성될 수 있다.
Figure pat00010
수학식 2와 같이, 곡률과 z는 비례하는바, 수학식 1과 수학식 3은 동일한 물리적인 의미를 갖는다. 일반적인 광학계에서 협시계를 구현하기 위해서는 positive lead의 telephoto type의 형태를 가지야 하며, 광각을 구현하기 위해서는 negative lead의 retro-focus type의 형태를 가져야 한다. 여기서 수학식 1 및 3은 아나몰픽 면의 굴절력을 결정하게 하는 수학식으로써, 수평과 수직 방향의 광학계 형태를 결정하는 요소 중 하나이다. 부호가 양수인 상한치 값은 수평과 수직 방향의 굴절력이 같은 부호가 되는 것을 의미한다. 이 상한치를 초과하게 된다면 광각을 구현하기 위한 retro-focus type의 형태를 가지기 힘들게 되거나 혹은 협시계를 구현하기 위한 telephoto type의 형태를 가지기 힘들게 된다. 렌즈의 형상이 수평 및 수직 모두 볼록면을 가지므로, anamorphic ratio를 크게 할 수 없게 된다. 또한 하한치를 초과하게 될 시, 수평과 수직 방향의 굴절력이 특정 방향으로 치우치게 되며 이 경우 첫번째 렌즈의 형상이 무너져 제품으로써 가치를 잃게 된다. 즉, 수평 방향의 곡률이 너무 작아져서 렌즈 edge 부분이 너무 두꺼워지고, 렌즈의 가공성이 나빠진다.
빛이 맺히는 이미지 픽셀의 가로 세로 비율은 앞서 설명한 수학식 1 및 2의 조건들로부터 결정이 될 수 있다. 하지만, 곡률 또는 z 값을 조절할 뿐만 아니라 광학계의 왜곡을 이용하면, 빛이 맺히는 이미지 픽셀의 가로 세로 비율의 추가 조정이 가능하여, 에너지 밀도의 변화를 갖게 할 수 있다. 이를 통해 빛이 맺히는 이미지 픽셀의 광도를 조절할 수 있어, 더 효율적으로 광원을 사용할 수 있다.
왜곡은 비구면 효과를 이용하여 발생시킬 수 있다. 이러한 왜곡은 비구면 계수를 활용하여 조절할 수 있으며, 자이델(Seidel) 3차 수차에 따른 비구면 계수와 왜곡은 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00011
Sv는 자이델 3차 수차이고, K는 원추계수(conic Constant)이고, c는 곡률이고, A는 4차 비구면 계수이고, ni는 렌즈의 굴절률이고, ni-1은 렌즈 면 앞쪽 매질의 굴절률이다. hi는 i 번째 면의 축상광선의 높이이고,
Figure pat00012
는 i 번째 면의 주광선의 높이이다. 상기 자이델 수차식은 왜곡에 관련된 식으로 어떤 렌즈 면이 현재 왜곡에 어떤 영향을 미치는지 나타내는 것으로, 만약 Sv 의 값이 + 가 나온다면 현재 왜곡 상태에서 왜곡의 값이 + 쪽으로 가도록 영향을 준다는 의미이며 - 가 나온다면 - 쪽으로 가도록 영향을 준다는 의미이다. 축상광선은 물체 중심에서 나오는 광선으로 광학계에서 물체까지의 거리가 무한대에 가까울 때 광축과 평행하게 입사하는 광선이고, 주광선은 광축과 평행하지 않게 입사하는 비축광선 중 조리개의 중심을 지나는 광선이다. 아나몰픽 면(114)에서 축상광선의 높이와 주광선의 높이는 도 6(B)와 같이, 렌즈의 직경으로 근사할 수 있다. 광선의 높이가 증가할 수록 렌즈 직경도 같이 증가하는바, 주광선 높이와 축상광선의 높이를 렌즈 직경으로 근사가 가능하다. 따라서, 아나몰픽 면의 원추계수 K와 4차 비구면 계수 A를 적절히 조절하면 광학계의 왜곡을 원하는 값으로 구현할 수 있다.
왜곡은 상기 원추계수 K와 곡률 c에 의해 영향을 받는바, 원추계수 K를 조절하여 왜곡을 형성하기 위하여, 광학계의 아나몰픽 면(las)은 하기의 조건식(수학식 5)을 만족하도록 형성될 수 있다.
Figure pat00013
또한, 왜곡은 4차 비구면 계수 A의 영향을 받는바, 4차 비구면 계수 A를 조절하여 왜곡을 형성하기 위하여, 광학계의 아나몰픽 면(las)은 하기의 조건식(수학식 6)을 만족하도록 형성될 수 있다.
Figure pat00014
수평 방향으로는 왜곡이 크게 발생하거나, 혹은 수직 방향으로 왜곡을 발생시키기 위해서는 아나몰픽 면의 수평 방향 비구면 계수들과 수직 방향의 계수들 간의 비율이 매우 중요하다.
수학식 5와 수학식 6은 비구면에 의한 왜곡에 관한 값으로, 이 값이 지나치게 작아 하한치보다 작으면 왜곡이 너무 작아져서 중심부와 주변부 영역의 차이를 만들기 어렵다. 반대로 상한치보다 큰 경우에는 화각에 비해 왜곡이 너머 커져서 광학계 설계 자체가 어려워지는 문제가 있다.
또한, 광학계의 아나몰픽 면(las)은 하기의 조건식(수학식 7)을 만족하도록 형성될 수 있다.
Figure pat00015
수학식 7은 화면의 TV 왜곡에 관한 조건으로, 수학식 6 및 7의 조건으로 큰 왜곡을 발생시키되, 수평 방향으로는 큰 왜곡을, 수직 방향으로는 왜곡을 작게 한다면, 수평 방향으로만 빛이 맺히는 이미지의 픽셀 간격을 바꾸는데 유리하다. 따라서 수학식 7의 하한치 미만은 수직 방향으로 거의 왜곡이 발생하지 않는 조건이며, 이는 설계적으로 구현하기 어려운 조건이다. 상한치 초과인 경우에는 수직 방향으로도 왜곡이 커져서 전체적인 이미지 픽셀 영역이 직사각형 형태를 많이 벗어나게 된다.
상기와 같이, 수학식 1 내지 7의 조건을 만족하도록 아나몰픽 면(114)을 형성하여 좌우 방향으로 중앙에서 외곽으로 갈수록 빛이 맺히는 이미지의 픽셀의 크기가 증가하도록 왜곡을 발생키실 수 있다.
광학계(110)를 형성함에 있어서, NA(Numerical Aperture)가 0.7 이상이 되도록 형성할 수 있다. NA는 밝기를 나타내는 값으로, 광 효율이 높은 광학계를 위해 광학계의 NA를 0.7 이상이 되도록 구현하기 위해서는 광원 근처에 위치한 마지막 렌즈는 반드시 양의 초점거리를 갖는 렌즈로서 해당 렌즈의 앞면의 곡률 반경은 뒷면에 위치한 곡률 반경에 비해 매우 작아야 한다. 이 마지막 렌즈의 역할은 광원인 LED에서 발산되는 빛의 발산 각도를 좁게 하여, 광학계의 효율을 높이는 역할을 한다.
광원인 엘이디(LED)의 효율을 높이기 위해선 NA가 큰 광학계의 형태를 가져야 한다. 광학계의 NA는 상면과 제일 가까운 마지막 렌즈(113)에 굴절력이 큰 렌즈가 들어가서 NA가 커지도록 영향을 준다. 일반적인 렌즈가 굴절력이 커지기 위해서는 곡률의 값이 커져야 하며 곡률이 커질수록 렌즈의 두께는 두꺼워질 수 밖에 없다. 따라서 광학계의 마지막 렌즈(113)의 유효경에 비례하여 렌즈의 두께를 제한하여 청구 범위 중 하한치보다 작은 경우 NA를 높이기 위한 굴절력을 가진 렌즈의 형태가 형성되기 어려워지며, 상한치를 초과할 경우 렌즈의 두께가 너무 두꺼워지기 때문에 렌즈의 마지막 면과 상면의 거리가 너무 가까워 지기 때문에 제품으로 제작할 때 어려워진다.
광학계의 효율을 높이기 위하여, 상기 빛이 입사되는 광학계의 첫 번째 렌즈(first, 113)는 하기의 조건식(수학식 8)을 만족하도록 형성될 수 있다.
Figure pat00016
여기서, 도 6(C)와 같이, d는 렌즈 두께이고, D는 렌즈 직경이다.
수학식 8은 마지막 렌즈(113)의 크기에 관한 조건이며, 마지막 렌즈(113)가 너무 얇으면 작은 곡률을 구현하기 어려워서 광학계의 NA가 낮아져서 효율을 높이는데 한계가 있고, 그 반대의 경우에는 렌즈의 재료비, 사출할 경우, 사출 시간이 오래 걸리는 문제점이 있는바, 수학식 8의 조건을 만족하도록 마지막 렌즈(113)를 형성할 수 있다.
광학계(110)의 효율을 높이기 위하여, 광원에서 출발한 발산각을 줄여야 한다. 단 이 때 색수차가 발생하지 않도록 해야 한다. 이를 위해서는 광학계의 광원과 가장 가까운 렌즈(113)의 소재의 아베수는 45 이상이 되도록 형성될 수 있다. 아베수가 높은 소재는 파장별 굴절률 변화가 작기 때문에 색수차 발생이 억제된다.
또한, 광학계에 포함된 모든 렌즈는 평균 굴절률이 1.6 내지 1.8로 형성될 수도 있다. 이때 평균 굴절률은 d-line의 평균 굴절률일 수 있다. 이렇게 모든 렌즈의 평균 굴절률이 높아지면 비점수차 및 상면만곡 보정에 유리해진다. 다만, 평균 굴절률이 지나치게 높아지면 소재의 흡수가 커져서 광학계의 투과율이 낮아질 수 있다. 이러할 경우, 오히려 광학계의 효율이 낮아질 수도 있다.
상기 조건들을 만족하도록 형성된 광학계의 구체적인 실시예로 도 1(제 1 실시예), 도 7(제 2 실시예), 도 11(제 3 실시예)의 광학계를 예시로 설명한다. 예시로 든 광학계는 3 개의 렌즈를 이용하였으나, 2 개의 렌즈를 이용하거나 4 개 이상의 렌즈를 이용하여 왜곡을 통해 중심과 외곽의 이미지 픽셀의 크기가 달라지는 광학계를 구성할 수 있다.
제 1 실시예는 수평 방향(X축)과 수직 방향(Y축)의 단면도는 도 3과 같다. 도 4는 아나몰픽 면으로 빛을 출사되는 경우 발생하는 왜곡 그리드로, 여기서는 수평 방향의 좌우 외곽으로 왜곡이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 광학계에 왜곡이 발생하게 된다면 상면의 이미지가 변한다. 왜곡의 값이 (+) 으로 갈 경우 실패형 왜곡(Pincushion Distortion)이 발생하며 (-) 으로 갈 경우 술통형 왜곡(Barrel Distortion)이 발생한다. 반대로 왜곡을 발생된 광학계로 상면에서 빛을 발산시켜 빛을 통과시켰을 경우 상면에서 발생된 왜곡의 형태에서 반대 부호 값을 가진 왜곡 형태로 이미지가 맺힌다. 왜곡이 발생된 광학계에서 상면의 왜곡이 (-) 이기에 도 4와 같이, 술통형 왜곡(Barrel Distortion)이 발생하고, 빛을 통과시켜 아나몰픽 면으로 출사되어 맺히는 이미지는 반대인 실패형 왜곡(Pincushoin Distortion)이 발생한다. 도 5는 제 1 실시예의 아나몰픽 면의 형상을 나타낸 것으로, 도 5에서 보이는바와 같이 비구면으로 형성되어 왜곡을 발생시킨다. 제 1 실시예의 비구면인 아나몰픽 면에 대한 비구면 데이터는 다음과 같다.
Figure pat00017
제 1 실시예 광학계에 따른 1차량은 다음과 같다.
Figure pat00018
제 2 실시예는 도 7과 같은 형상으로 구현될 수 있고, 수평 방향과 수직 방향의 단면도는 도 8과 같다. 도 9는 아나몰픽 면으로 빛을 출사되는 경우 발생하는 왜곡 그리드로, 수평 방향의 좌우 외곽으로 왜곡이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 도 10은 제 2 실시예의 아나몰픽 면의 형상을 나타낸 것으로, 도 10에서 보이는바와 같이 비구면으로 형성되어 왜곡을 발생시킨다. 제 2 실시예의 비구면인 아나몰픽 면에 대한 비구면 데이터는 다음과 같다.
Figure pat00019
제 2 실시예 광학계에 따른 1차량은 다음과 같다.
Figure pat00020
제 3 실시예는 도 11과 같은 형상으로 구현될 수 있고, 수평 방향과 수직 방향의 단면도는 도 12와 같다. 도 13은 아나몰픽 면으로 빛을 출사되는 경우 발생하는 왜곡 그리드로, 수평 방향의 좌우 외곽으로 왜곡이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 도 14은 제 2 실시예의 아나몰픽 면의 형상을 나타낸 것으로, 도 14에서 보이는바와 같이 비구면으로 형성되어 왜곡을 발생시킨다. 제 2 실시예의 비구면인 아나몰픽 면에 대한 비구면 데이터는 다음과 같다.
Figure pat00021
제 3 실시예 광학계에 따른 1차량은 다음과 같다.
Figure pat00022
제 1 실시예 내지 제 3 실시예의 수학식 1, 3, 5 내지 8에 따른 값은 다음과 같다.
Figure pat00023
상기 표 7과 같이, 제 1 실시예 내지 제 3 실시예는 수학식 1, 3, 5 내지 8에 조건을 만족하는 걸 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 램프를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 램프(200)는 광원(210) 및 광학 렌즈(220)로 구성된다. 여기서, 광학 렌즈(220)에 대한 상세한 설명은 상기 도 1 내지 도 14의 광학계(110)에 대한 상세한 설명에 대응되는바, 중복되는 설명은 이하 생략하도록 한다.
광원(210)은 엘이디(LED)일 수 있고, ADB 시스템을 형성하는 광원일 수 있다.
광학 렌즈(220)는 복수의 렌즈로 구성되고, 광원(210)으로부터 출사된 빛을 투과한다. 광학 렌즈(220)를 투과하여 출사되는 빛이 맺히는 이미지의 픽셀 크기가 중앙에서 외곽으로 갈수록 왜곡되는 방향으로 커지거나 작아지도록 왜곡을 발생시킨다. 상기 이미지의 픽셀 크기는 좌우 방향의 외곽으로 갈수록 커진다. 좌우 왜곡이 상하 왜곡보다 크도록 하기 위하여, 광학 렌즈(220)에 발생하는 왜곡은 수평 방향 왜곡의 정도와 수직 방향 왜곡의 정도가 서로 상이하게 형성된다. 이러한 왜곡을 형성하기 위하여, 광학 렌즈의 아나몰픽 면은 수평 방향으로 오목하고 수직 방향으로 볼록하거나, 수평 방향으로 볼록하고 수직 방향으로 오목한 saddle 형태일 수 있고, 수학식 1 내지 수학식 8의 조건을 만족하도록 광학 렌즈(220)를 형성할 수 있다.
상기와 같이 형성된 램프는 좌우비율을 상하비율보다 크도록 왜곡을 형성되며, 하나의 광원만으로 직사각형의 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 중앙에서는 왜곡이 크지 않고, 외곽으로 갈수록 왜곡을 커지거나 작아지도록 형성되는바, 중앙에서 일정 이상의 광도를 유지할 수 있다. 이를 통해, 차량의 램프의 조건을 만족함과 동시에 광원을 효율적으로 사용할 수 있고, 적은 비용으로 필요한 빔 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 광학계
111, 112, 113, 220, 221, 222, 223: 렌즈
114: 아나몰픽 면
200: 램프
210: 광원

Claims (14)

  1. 복수의 렌즈를 포함하고,
    빛이 렌즈를 통과하여 맺히는 이미지의 픽셀 크기가 중앙에서 외곽으로 갈수록 왜곡되는 방향으로 커지거나 작아지도록 왜곡을 발생시키며,
    상기 왜곡은,
    수평 방향 왜곡의 정도와 수직 방향 왜곡의 정도가 서로 상이하고,
    상기 빛이 출사되는 광학계의 아나몰픽 면은,
    수평 방향으로 오목하고 수직 방향으로 볼록하거나, 수평 방향으로 볼록하고 수직 방향으로 오목한 saddle 형태인 것을 특징으로 하는 광학계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지의 픽셀의 크기는,
    좌우 또는 상하 방향의 외곽으로 갈수록 커지거나 작아지는 것을 특징으로 하는 광학계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 왜곡은,
    상기 광학계의 아나몰픽 면의 형상에 따라 발생되는 것을 특징으로 하는 광학계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학계의 아나몰픽 면(las)은,
    하기의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
    [조건식]
    Figure pat00024
    , (c: 곡률)
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학계의 아나몰픽 면(las)은,
    하기의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
    [조건식]
    Figure pat00025
    , (
    Figure pat00026
    , c: 곡률, s0.1: 렌즈 중심으로부터 렌즈 1/10 높이까지의 sag 값)
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학계의 아나몰픽 면(las)은,
    하기의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
    [조건식]
    Figure pat00027
    , (K: conic constant, c: 곡률, D: 렌즈 직경)
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학계의 아나몰픽 면(las)은,
    하기의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
    [조건식]
    Figure pat00028
    , (A: 비구면 4차항 계수, D: 렌즈 직경)
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학계의 아나몰픽 면(las)은,
    하기의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
    [조건식]
    Figure pat00029
    , (K: conic constant, c: 곡률, A: 비구면 4차항 계수)
  9. 제 1 항에 있어서,
    NA가 0.7 이상인 것을 특징으로 하는 광학계.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 빛이 입사되는 광학계의 첫 번째 렌즈(first)는,
    하기의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
    [조건식]
    Figure pat00030
    , (d: 렌즈 두께, D: 렌즈 직경)
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 빛이 입사되는 광학계의 첫 번째 렌즈(first)는,
    아베수가 45 이상인 것을 특징으로 하는 광학계.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학계에 포함된 모든 렌즈의 평균 굴절률이 1.6 내지 1.8인 것을 특징으로 하는 광학계.
  13. 광원; 및
    복수의 렌즈로 구성되고, 상기 광원으로부터 출사된 빛을 투과하는 광학 렌즈를 포함하고,
    상기 광학 렌즈를 투과하여 출사되는 빛이 맺히는 이미지의 픽셀 크기가 중앙에서 외곽으로 갈수록 왜곡되는 방향으로 커지거나 작아지도록 왜곡을 발생시키며,
    상기 왜곡은,
    수평 방향 왜곡의 정도와 수직 방향 왜곡의 정도가 서로 상이하고,
    상기 빛이 출사되는 광학 렌즈의 아나몰픽 면은,
    수평 방향으로 오목하고 수직 방향으로 볼록하거나, 수평 방향으로 볼록하고 수직 방향으로 오목한 saddle 형태인 것을 특징으로 하는 차량용 램프.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 이미지의 픽셀 크기는,
    좌우 방향의 외곽으로 갈수록 커지거나 작아지는 것을 특징으로 하는 차량용 램프.
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