KR20220081996A

KR20220081996A - 광학 시스템

Info

Publication number: KR20220081996A
Application number: KR1020227012466A
Authority: KR
Inventors: 피에르 알보
Original assignee: 발레오 비젼
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2020-10-14
Publication date: 2022-06-16
Also published as: EP4045841B1; FR3101932B1; CN114585857B; US20230068695A1; CN114585857A; JP2022552391A; US11873959B2; WO2021074257A1; FR3101932A1; EP4045841A1

Abstract

조명 모듈용 광학 장치. 본 발명은 광학 장치와, 복수의 발광 요소(11) 및 상기 광학 장치가 제공된 광원(1)을 포함하는 조명 모듈에 관한 것이다. 광학 장치의 렌즈의 하나의 면은 오목한 패턴(23)의 어레이를 포함하며, 오목한 패턴(23) 각각은 최적화된 광 분포를 생성하기 위해 특정 프로파일로 구성된다. 상기 프로파일은 특히 회전 대칭을 갖는다.

Description

광학 시스템

본 발명은 조명 및/또는 신호 장치 및 이와 관련된 광학 구성요소에 관한 것이다. 본 발명은 특히 유리하게는 자동차 분야에 적용 가능하다.

자동차 부문에서, 일반적으로 규정을 준수하는 조명 및/또는 신호 기능으로도 불리는 광 빔을 방출할 수 있는 장치가 알려져 있다.

고도의 조명 기능을 구현하기 위해 픽셀화된 빔(pixelated beam)으로도 불리는 세그먼트형 빔(segmented beam)을 생성하는 것을 가능하게 하는 기술이 최근 개발되고 있다. 이것은 개별적으로 구동될 수 있는 하나의 발광 다이오드를 각각 포함하는 복수의 조명 유닛에 일반적으로 기초하는 "추가 주행(additional driving)" 조명 기능의 경우에 특히 그렇다. 이러한 빔은 특히 하향 빔(dipped beam)에 의해 제공되는 조명을 보완하여 주행 조명을 형성하는 데 사용될 수 있다.

다이오드 각각에 의해 생성된 다양한 빔 세그먼트로부터 생성된 빔은 일반적으로 하나 이상의 렌즈를 포함하는 투영 광학 시스템을 통해 투영된다. 예를 들어, 하향 헤드라이트 기능에 사용되는 유형의 수평 컷오프 라인(horizontal cut-off line) 아래에 완전히 또는 적어도 거의 투영되는 기본 빔과 조합된 추가 주행 빔을 생성하는 것이 가능하며, 추가 주행 빔은 컷오프 라인 위에서 기본 빔을 보완하도록 기본 빔에 추가되며; 유리하게는, 이러한 추가 주행 빔은, 예를 들어 눈부심 방지 기능을 위해, 전체 투영 빔의 특정 부분을 켜거나 끄도록 적응할 수 있다. 약어 ADB(Adaptive Driving Beam; 적응형 주행 빔)가 이러한 유형의 기능에 사용된다.

본 설명에 있어서, 세그먼트형 빔은 투영이 빔 세그먼트로 구성된 이미지를 형성하는 빔에 주어진 이름이며, 각각의 세그먼트는 독립적으로 켜질 수 있다. 픽셀화된 광원이 이러한 세그먼트를 형성하는 데 사용될 수 있다. 그러한 광원은 복수의 선택적으로 활성화 가능한 방출 요소를 포함한다.

방출 요소는 특정 피치로 지지체 상에 서로 옆에 배치된다. 이러한 요소 사이의 간격은 인접한 방출 요소에 의해 투영된 세그먼트가 완전한 연속성을 형성하지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 간격은 세그먼트를 결합하는 영역에서 보다 어두운 부분을 갖는 전이 콘트라스트(transition contrast)를 생성한다. 이러한 현상은 전체 빔의 품질을 저하시키며, 그러한 조명 기능에 대한 사양을 준수하기 위해서는 임계치 미만(전형적으로 마이켈슨(Michelson)의 공식을 사용하여 계산된 콘트라스트의 경우에 5% 미만)의 콘트라스트 레벨이 달성될 필요가 있다.

동시에, 이러한 전이를 흐리게 하기 위해 세그먼트의 윤곽을 희미하게 하려는 경우, 이것은 세그먼트의 결합에 의해 형성된 전체 빔의 윤곽이 그렇게 선명하지 않게 되게 한다. 그러나, ADB 기능에서, 이러한 선명도는, 필요한 것보다 많은 방출 요소를 끄지 않고서, 다른 운전자가 눈부시지 않는 영역을 효과적으로 획정하기 위해 요구된다.

따라서, 본 발명의 하나의 목적은, 세그먼트형 빔의 윤곽의 만족스러운 선명도 및 빔 내의 조명의 적합한 균질성을 제공하는, 픽셀화된 광원으로부터 나오는 광선을 처리하기 위한 광학 시스템을 제안하는 것이다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점은 하기의 설명 및 첨부 도면을 검토함으로써 명백해질 것이다. 다른 이점이 포함될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해, 일 실시예에 따르면, 복수의 선택적으로 활성화 가능한 방출 요소를 포함하는 픽셀화된 광원과 상호작용할 수 있는 광 빔을 투영하기 위한 광학 장치가 제공되며, 광학 장치는 렌즈를 포함하고, 렌즈의 제 1 면은 오목한 패턴의 어레이를 포함하며, 각각의 오목한 패턴은,

- 오목한 패턴이 제 1 면에 대한 국부 법선 방향(z)에 대해 회전 대칭을 나타내어, 국부 법선 방향(z)을 포함하는 임의의 평면에서, 2개의 영역, 구체적으로 제 1 영역 및 제 2 영역을 갖는, 국부 법선에 대한 대칭 프로파일을 규정하고,

- 2개의 영역 각각이 2개의 부분을 포함하고, 제 1 영역의 기저 부분이 제 2 영역의 기저 부분과의 하단 결합 지점을 갖고, 제 1 영역의 기저 부분이 제 1 영역의 상부 부분과의 제 1 중간 결합 지점을 포함하고, 제 2 영역의 기저 부분이 제 2 영역의 상부 부분과의 제 2 중간 결합 지점을 포함하고,

- 2개의 영역 각각에 대해, 기저 부분과 상부 부분이 각각의 중간 결합 지점에 대해 대칭이 되도록 된다.

오목한 패턴의 이러한 프로파일 덕분에, 유리하게는 빔의 각도가 너무 높지 않으면서, 빔의 에지의 선명도가 보다 잘 제어되고 빔의 확산이 조절된다. 예를 들어, 확산 각도는 0.02° 이하로 이루어질 수 있다.

따라서, 최적화된 파라미터에 의해 렌즈 내에서 양방향 투과율 기능을 구현하는 것이 가능하다.

다른 양태는 광학 장치와, 복수의 선택적으로 활성화 가능한 방출 요소를 포함하는 픽셀화된 광원을 포함하는 특히 자동차용 조명 모듈과 관련된다. 특히, 조명 모듈이 선택적으로 활성화 가능한 방출 요소를 포함하는 픽셀화된 광원을 포함하는 경우, 패턴의 중간 결합 지점에 대한 패턴의 대칭은 제어된 확산을 보장하는 것을 가능하게 하고, 그에 따라 방출 요소 사이의 결합 영역은 픽셀화된 광원의 렌즈에 의해 이미지에 어두운 부분을 생성하지 않는다. 또한, 방출 요소 중 하나의 불균일성에 대응하는 빔의 색상 불균일성이 감쇠되거나 완전히 숨겨진다.

다른 양태는 본 발명에 따른 적어도 하나의 모듈이 구비된 차량과 관련된다.

본 발명의 목표, 목적, 특징 및 이점은 본 발명의 일 실시예의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이며, 이 실시예는 하기의 첨부 도면에 의해 도시된다:
도 1은 조명 모듈의 개략도를 도시한다.
도 2는 미세구조 렌즈면을 도시한다.
도 3은 도 2의 상세도를 도시한다.
도 4는 렌즈의 오목한 패턴에 의해 형성된 미세구조의 절반-프로파일의 도시이다.
도 5는 프로파일의 구성 각도를 제공한다.
도 6은 오목한 패턴의 표면의 일 지점에서의 입체각의 개념을 설명한다.
도 7은 편향 계산의 설명을 제공한다.
도 8 및 도 9는 광원 출력(δ) 시의 편향을 변화시킴으로써 렌즈의 상이한 구성을 갖는 빔 투영의 결과를 도시한다.
도면은 예로서 제공되고, 본 발명을 제한하지 않는다. 도면은 본 발명의 이해를 용이하게 하도록 의도된 개념적인 개략도이고, 반드시 실제 적용의 스케일로 도시된 것은 아니다.

달리 구체적으로 나타내지 않는 한, 주어진 일 실시예에 대해 상세하게 설명된 기술적 특징은 비제한적인 예로서 설명되는 다른 실시예의 맥락에서 설명된 기술적 특징과 조합될 수 있다.

여기서는, 별도로 또는 임의의 실행 가능한 조합으로 구현될 수 있는 옵션이 소개된다:

- 대칭 프로파일은, 하단 결합 지점(233)에서, 국부 법선 방향에 직교하는 접선을 나타낼 수 있으며;

- 이러한 프로파일은 또한 하단 지점(233)에서 무한대 2차 도함수를 유발할 수 있으며;

- 대칭 프로파일은 가능하게는 제 1 영역의 기저 부분(231)의 하기 수학식에 의해 규정될 수 있다:

여기서,

i. F(y)는 제 2 영역의 기저 부분과의 하단 결합 지점을 국부 법선 방향(z)을 따른 좌표의 원점으로서 사용하는 국부 법선 방향(z)을 따른, 제 1 영역의 기저 부분(231)의 지점의 좌표이며, 상기 지점은 국부 법선 방향(z)에 수직인 국부 방향을 따른 좌표로서 y를 가지며,

ii. n은 렌즈의 재료의 굴절률이고;

iii. k는 상수이며;

- 제 1 면은 가능하게는 렌즈(2)의 출사면(22)이고;

- 제 1 면은 선택적으로 평면에 의해 지지되고;

- 제 1 면은 대안적으로 구면의 일부에 의해 지지되고;

- 출력 시의 광선의 최대 편향각(γ_max)은 유리하게는 복수의 방출 요소(11) 중 하나의 방출 요소의 폭 이하이거나, 바람직하게는 절반-폭이고;

- 패턴(11)은 2 ㎛ 미만의 깊이 치수를 가질 수 있고;

- 패턴(11)은 제 1 면에서 1.5 ㎜ 미만의 직경을 가질 수 있으며;

- 렌즈(2)는 투영 렌즈일 수 있다.

하기에 설명된 특징에서, 수직, 수평 및 횡단(또는 측방향)과 관련된 용어 또는 그 등가물은 조명 모듈이 차량에 설치되도록 의도된 위치와 관련하여 이해되어야 한다. 용어 "수직방향" 및 "수평방향"은, 본 설명에 있어서, 용어 "수직방향"에 관해서는 수평면에 수직인 배향(모듈의 높이에 대응함)을 갖는 방향을 지정하고, 용어 "수평방향"에 관해서는 수평면에 평행한 배향을 갖는 방향을 지정하는 데 사용된다. 이들은 차량에서의 장치의 작동 조건 하에서 고려되어야 한다. 이러한 단어의 사용은 수직 및 수평 방향에 대한 약간의 변형이 본 발명에서 배제된다는 것을 의미하지 않는다. 예를 들어, + 또는 - 10° 정도의 이러한 방향에 대한 경사는 여기서는 2개의 선호하는 방향에 대한 사소한 변화인 것으로 간주된다. 수평면에 대하여, 경사는 원칙적으로 -5° 내지 4°이고, 측방향으로 -6° 내지 7.5°이다.

자동차 헤드램프에는, 헤드램프로부터의 출력 시에 하나 이상의 조명 및/또는 신호 빔을 얻기 위해 외부 렌즈에 의해 폐쇄된 케이싱에 배열된 하나 이상의 조명 모듈이 구비되어 있다. 매우 간단하게는, 케이싱의 조명 모듈은 특히, 광 빔을 방출하는 광원과, 하나 이상의 렌즈를 포함하는 광학 시스템과, 일부 경우에는 광학 모듈로부터 출력되는 광 빔을 형성하기 위해 광원에 의해 생성된 광선을 배향하기 위한 광학 요소, 예를 들어 반사기(reflector)를 포함한다. 이 상황은 후미등에 대해서도 동일하다.

본 발명은 차량 전방의 장면을 넓은 영역에 걸쳐 조명하지만 상당한 거리, 전형적으로 약 200 미터에 걸쳐 조명하는 것이 목적인 주행 빔 기능에 기여할 수 있다. 이러한 광 빔은, 조명 기능으로 인해, 주로 수평선 위에 위치된다. 광 빔은 예를 들어 약간 상향 기울기의 조명 광축을 가질 수 있다. 특히, 근거리 빔에 의해 생성된 것에 추가되는 주행 빔의 부분을 형성하는 "추가 주행" 조명 기능을 생성하는 데 사용될 수 있으며, 추가 주행 빔은 전체적으로 또는 적어도 거의 수평선 위를 조명하고자 하는 반면, 근거리 빔(로우 빔(low beam)의 특정 특징을 가질 수 있음)은 전체적으로 또는 적어도 거의 수평선 아래를 조명하고자 한다.

장치는 또한 적응형 빔과 관련하여 상기에서 설명된 기능을 통해 또는 이와 별도로 다른 조명 기능을 형성하는 데 사용될 수 있다.

본 발명의 모듈은 광학 시스템을 통해 투영될 세그먼트형 빔을 생성하기 위한 적어도 하나의 광원(1)을 포함한다. 도 1은 이러한 상황을 개략적으로 도시하며, 여기서 광학 장치는 단 하나의 렌즈를 가지며; 장치는 보다 많은 구성요소, 예를 들어 오목한 패턴 및/또는 다른 렌즈, 특히 적어도 하나의 투영 렌즈를 지지하는 슬라이드(slide)를 포함할 수 있는 것으로 이해된다.

광원(1)은 지지체(12)를 포함하며, 지지체의 하나의 면은, 후술하는 바와 같이, 예를 들어 LED 기술에 기초하는 선택적으로 활성화 가능한 방출 요소(11)를 지지한다.

렌즈(2)는 광학 시스템을 형성하거나 형성하는 데 기여한다. 렌즈(2)는, 광원(1)의 하류에 배치되어, 입사면(21)을 통해 광을 수용하고 출사면(22)을 통해 광을 출력한다. 렌즈(2)는 그 면들 중 하나로부터 시작하는 오목한 패턴의 어레이를 포함한다는 것을 나중에 알게 될 것이다. 그 외에는, 이러한 렌즈는 광학적으로 중립적일 수 있으며; 예를 들어 면들이 평면이고 평행한 슬라이드를 기준으로 하여 제조될 수 있다. 다른 옵션에 따르면, 렌즈의 면들 중 적어도 하나는 곡률을 나타낸다. 특히 구면 렌즈가 구현될 수 있다.

본 발명은 렌즈(2)를 위한 다양한 광학 재료로 구현될 수 있다. 특히, 이것은 PMMA(polymethyl methacrylate; 폴리메틸 메타크릴레이트) 또는 폴리카보네이트와 같은 중합체 재료, 또는 유리일 수 있다.

도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 광원(1)과, 여기서는 렌즈(2)로 표현된 광학 장치를 포함하는 모듈의 광축은 참조 번호 3을 갖는다. 광축(3)은 실질적으로 수평으로 배향될 수 있다.

특히, 광원(1)은, 발광 요소 중 어느 하나를 끄거나 켜도록, 활성화가 개별적으로 구동될 수 있는 발광 요소의 매트릭스 어레이의 형태로 설계될 수 있다. 따라서, 결과적인 빔의 형상은 매우 유연하게 변화된다. 순전히 예시로서, 행 및 열, 예를 들어 44행 및 28열로 배열되는, 예를 들어 4000개의 픽셀 이상을 형성하는 발광 요소의 매트릭스 어레이를 구현하는 것이 가능하다.

그 자체로 알려진 바와 같이, 본 발명은 광원으로서 발광 다이오드(통상적으로 LED로도 불림)를 사용할 수 있다. 이들은 잠재적으로 하나 이상의 유기 LED일 수 있다. 이러한 LED에는, 특히 반도체 기술을 사용하고 광을 방출할 수 있는 적어도 하나의 칩이 제공될 수 있다. 또한, 표현 광원은 여기서는 본 발명의 모듈의 출력 시에 적어도 하나의 광 빔의 생성을 야기하는 플럭스를 생성할 수 있는 LED와 같은 적어도 하나의 기본 소스의 세트를 의미하는 것으로 이해된다. 하나의 유리한 실시예에서, 광원의 출사면은 직사각형 단면을 가지며, 이것은 LED 칩에서 전형적이다.

발광 소스는 바람직하게는 모놀리식 매트릭스 어레이(monolithic matrix array)로도 불리는 발광 요소의 적어도 하나의 모놀리식 매트릭스 어레이를 포함한다. 모놀리식 매트릭스 어레이에서, 발광 요소는 공통 기판으로부터 성장되거나, 공통 기판으로 전사되며, 선택적으로, 개별적으로 또는 발광 요소의 서브세트에 의해 활성화될 수 있도록 전기적으로 연결된다. 기판은 주로 반도체 재료로 제조될 수 있다. 기판은 예를 들어 비-반도체인 하나 이상의 다른 재료를 포함할 수 있다. 따라서, 각각의 발광 요소 또는 발광 요소 그룹은 발광 픽셀을 형성할 수 있고, 그 재료에 전기가 공급될 때 광을 방출할 수 있다. 그러한 모놀리식 매트릭스 어레이의 구성은, 인쇄 회로 기판 상에 납땜되도록 의도된 기존의 발광 다이오드와 비교하여, 선택적으로 활성화 가능한 픽셀을 서로에 대해 매우 근접하게 배열하는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 의미 내에서 모놀리식 매트릭스 어레이는 연장부의 주요 치수, 특히 높이가 공통 기판에 실질적으로 수직인 발광 요소를 포함하고, 이러한 높이는 최대한으로 1 마이크로미터와 동일하다.

유리하게는, 광선을 방출할 수 있는 하나 이상의 모놀리식 매트릭스 어레이는 픽셀화된 광원의 광 방출을 제어하기 위한 제어 유닛에 결합될 수 있다. 따라서, 제어 유닛은 조명 장치에 의한 픽셀화된 광 빔의 생성 및/또는 투영을 제어할 수 있다(이것은 구동으로도 불릴 수 있음). 제어 유닛은 조명 장치에 통합될 수 있다. 제어 유닛은 매트릭스 어레이 중 하나 이상에 장착될 수 있으며, 그에 따라 조립체는 조명 모듈을 형성한다. 제어 유닛은 프로세서가 광원을 제어하기 위한 신호를 생성하는 단계를 수행할 수 있게 하는 명령을 포함하는 컴퓨터 프로그램을 저장하는 메모리에 결합된 중앙 처리 유닛을 포함할 수 있다. 따라서, 제어 유닛은 예를 들어 매트릭스 어레이의 각 픽셀의 광 방출을 개별적으로 제어할 수 있다. 또한, 복수의 발광 요소에 의해 얻어진 휘도는 적어도 60 Cd/㎟, 바람직하게는 적어도 80 Cd/㎟이다.

제어 유닛은 발광 요소를 제어할 수 있는 전자 장치를 형성할 수 있다. 제어 유닛은 집적 회로일 수 있다. 전자 칩으로도 불리는 집적 회로는 하나 이상의 전자 기능을 재생하고 여러 유형의 기본 전자 구성요소를 예를 들어 제한된 용적에(즉, 칩에) 집적할 수 있는 전자 구성요소이다. 이것은 회로를 구현하기 용이하게 한다. 집적 회로는 예를 들어 ASIC 또는 ASSP일 수 있다. ASIC("Application-Specific Integrated Circuit"의 약어)은 적어도 하나의 특정 애플리케이션(다시 말해서, 클라이언트)을 위해 개발된 집적 회로이다. 따라서, ASIC은 특수(마이크로전자) 집적 회로이다. 일반적으로 말하면, ASIC은 많은 수의 고유하거나 맞춤화된 기능을 함께 그룹화한다. ASSP("Application-Specific Standard Product"의 약어)는 일반적으로 표준화된 애플리케이션을 충족하기 위해 많은 수의 기능을 함께 그룹화하는 집적(마이크로전자) 전자 회로이다. ASIC은 ASSP보다 특정한(특수한) 요구를 위해 설계된다. 모놀리식 매트릭스 어레이에는 전자 장치를 통해 전기가 공급되고, 전자 장치 자체에는, 예를 들어 전자 장치를 전원에 연결하는 적어도 하나의 커넥터를 사용하여 전기가 공급된다. 전원은 본 발명에 따른 장치의 내부 또는 외부에 있을 수 있다. 전자 장치는 광원에 전기를 공급한다. 따라서, 전자 장치는 광원을 제어할 수 있다.

본 발명에 따르면, 광원은 바람직하게는 발광 요소가 공통 기판으로부터 돌출되어 연장되는 적어도 하나의 모놀리식 매트릭스 어레이를 포함한다. 발광 요소의 이러한 배열은 발광 요소가 각각 성장한 기판 상에서의 성장, 또는 예를 들어 전사 기술을 사용하는 발광 요소의 전사에 의한, 임의의 다른 제조 방법에서 기인할 수 있다. 발광 요소가 공통 기판에 실질적으로 수직인 연장부의 주요 치수들 중 하나를 가지며, 전기적으로 함께 그룹화된 하나 이상의 발광 요소에 의해 형성된 픽셀들 사이의 간격이 인쇄 회로 기판에 납땜된 편평한 정사각형 칩의 알려진 배열에 부여되는 간격과 비교하여 작다면, 발광 요소의 다양한 배열은 모놀리식 매트릭스 어레이의 이러한 규정을 충족할 수 있다.

특히, 본 발명의 일 양태에 따른 광원은 다른 양태와 구별되는 복수의 발광 요소를 포함할 수 있으며, 복수의 발광 요소는 기판으로부터 개별적으로 성장되면서, 적용 가능한 경우, 로드(rod)가 동시에 활성화될 수 있는 서브세트에 의해 선택적으로 활성화될 수 있도록 전기적으로 연결된다.

도시되지 않은 일 실시예에 따르면, 모놀리식 매트릭스 어레이는 서브밀리미터 치수, 또는 심지어 10 ㎛ 미만의 치수의 복수의 발광 요소를 포함하며, 복수의 발광 요소는 육각형 단면을 갖는 로드를 형성하도록 기판으로부터 돌출되어 배열된다. 발광 로드는 광원이 케이싱에서 제 위치에 있을 때 조명 모듈의 광축에 평행하게 연장된다.

이러한 발광 로드는, 특히 각 세트에 특정한 전기적 연결에 의해, 복수의 선택적으로 활성화 가능한 복수의 부분으로 함께 그룹화된다. 발광 로드는 기판의 제 1 면에서 시작된다. 여기서는 질화갈륨(GaN)을 사용하여 형성된 각각의 발광 로드는 여기서는 실리콘으로 제조된 기판에 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 연장되어 기판으로부터 돌출되지만, 본 발명의 맥락에서 벗어남이 없이 탄화실리콘과 같은 다른 재료가 사용될 수 있다. 예로서, 발광 로드는 질화알루미늄과 질화갈륨의 합금(AlGaN), 또는 알루미늄, 인듐 및 갈륨 인화물의 합금(AlInGaP)으로 제조될 수 있다. 각각의 발광 로드는 그 높이를 규정하는 연장 축을 따라 연장되며, 각 로드의 베이스는 기판의 상부면의 평면에 배열된다.

도시되지 않은 다른 실시예에 따르면, 모놀리식 매트릭스 어레이는, 예를 들어 탄화실리콘으로 제조된 단일 기판 상에, 에피택셜 발광 요소(epitaxial light-emitting element)의 층, 특히 n-도핑된 GaN의 제 1 층 및 p-도핑된 GaN의 제 2 층에 의해 형성된 발광 요소를 포함할 수 있으며, 기판은 하나의 동일한 기판에서 각각 발생되는 복수의 픽셀을 형성하기 위해 (연삭 및/또는 어블레이션(ablation)에 의해) 슬라이스된다. 그러한 설계의 결과는 모두 하나의 동일한 기판에서 발생되고 서로 선택적으로 활성화 가능하도록 전기적으로 연결된 복수의 발광 블록인 것이다.

이러한 다른 실시예에 따른 하나의 예시적인 실시예에서, 모놀리식 매트릭스 어레이의 기판은 100 ㎛ 내지 800 ㎛의 두께, 특히 200 ㎛와 동일한 두께를 가질 수 있으며; 각각의 블록은 각각 50 ㎛ 내지 500 ㎛, 바람직하게는 100 ㎛ 내지 200 ㎛인 길이 및 폭을 가질 수 있다. 일 변형예에서, 길이와 폭은 동일하다. 각 블록의 높이는 500 ㎛ 미만, 바람직하게는 300 ㎛ 미만이다. 마지막으로, 각 블록의 출사면은 에피택시 반대측에서 기판을 통해 형성될 수 있다. 인접한 픽셀을 분리하는 거리는 1 ㎛ 미만, 특히 500 ㎛ 미만일 수 있으며, 바람직하게는 200 ㎛ 미만이다.

발광 블록 모놀리식 칩과 관련하여:

- 픽셀 수는 250개 내지 수천개일 수 있다. 전형적인 값은 약 1000개의 픽셀이다.

- 픽셀의 전체 형상은 통상적으로 정사각형이고, 직사각형일 수도 있다. 종횡비는 일반적으로 1:1 내지 1:5이다.

- 단위 픽셀의 크기(모든 알려진 경우에 정사각형이고, 직사각형일 수 있음)는 현재 기술 상태에서 100 ㎛ 내지 300 ㎛이다.

전술한 바와 같이 하나의 동일한 기판으로부터 각각 돌출되어 연장되는 발광 로드와, 하나의 동일한 기판 상에 중첩된 발광 층을 슬라이스함으로써 얻어진 발광 블록을 모두 갖는, 도시되지 않은 다른 실시예에 따르면, 모놀리식 매트릭스 어레이는 발광 요소가 적어도 부분적으로 매립된 중합체 재료의 층을 더 포함할 수 있다. 따라서, 층은 기판의 전체 범위에 걸쳐, 또는 주어진 그룹의 발광 요소 주위로만 연장될 수 있다. 특히 실리콘계일 수 있는 중합체 재료는 광선의 확산을 방해하지 않으면서 발광 요소가 보호될 수 있게 하는 보호 층을 생성한다. 또한, 이러한 중합체 재료의 층에 파장 변환 수단, 예를 들어 발광단(luminophore)을 통합하는 것이 가능하며, 이 발광단은 발광 요소 중 하나에 의해 방출되는 광선의 적어도 일부를 흡수하고, 흡수된 여기 광의 적어도 일부를 여기 광의 파장과 상이한 파장을 갖는 방출 광으로 변환할 수 있다. 발광단이 중합체 재료의 매스 내에 매립되거나 이러한 중합체 재료의 층의 표면에 배열되는 것이 구별 없이 제공될 수 있다. 중합체 층 없이, 반도체 칩 상에 형광체(phosphor)를 진공 증착하는 것도 가능하다. 광원은 픽셀화된 광원의 출사면을 향해 광선을 편향시키기 위해 반사 재료의 코팅을 더 포함할 수 있다.

서브밀리미터 치수의 발광 요소는 기판에 실질적으로 평행한 평면에서 주어진 출사면을 규정한다. 이러한 출사면의 형상은 출사면을 형성하는 발광 요소의 개수 및 배열에 따라 규정된다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 출사면의 실질적으로 직사각형 형상을 규정하는 것이 가능하며, 출사면은 본 발명의 맥락으로부터 벗어남이 없이 변경될 수 있고 임의의 형상을 채택할 수 있는 것으로 이해된다.

본 발명의 광학 장치의 투과율 기능을 조정하기 위해, 렌즈(2)는 유리하게는 제 1 면, 여기서는 출사면을 형성하는 면(22)에 오목한 패턴(23)의 어레이를 갖는다. 면(22)의 예시적인 도시가 도 2에 주어지고, 오목한 패턴(23)의 외부 윤곽을 보다 상세하게 나타내는 상세도가 도 3에 제공된다. 유리하게는, 오목한 패턴(23)은 동일한 프로파일을 갖는다. 각각의 오목한 패턴(23)은 제 1 면, 여기서는 출사면(22) 상으로 개방되어, 원형 단면을 갖는 개구, 다시 말해서 패턴의 중심에서 제 1 면의 법선에 수직인 평면 상으로의 원형 투영부를 갖는 개구를 형성하는 것으로 이해된다. 유리하게는, 패턴(23)은 제 1 면의 표면의 최대 부분을 차지하도록 서로 가능한 한 근접하여 있다.

제 1 면이 평면이고 광축(3)에 수직인 경우, 오목한 패턴(23)의 프로파일은 유리하게는 각 패턴(23)의 깊이 치수가 광축(3)에 평행하고, 다시 말해서 제 1 면에 수직하도록 구성된다.

제 1 면이 만곡된 경우, 각 패턴(23)의 깊이 치수는 제 1 면의 표면에 대한 국부 법선 방향에 대응하도록 광축(3)에 대해 각도적으로 오프셋된다. 예를 들어, 제 1 면이 구면인 경우, 국부 법선 방향은 제 1 면에 위치된 오목한 패턴(23)의 대칭축(후술됨)의 위치에서 구면 형상의 반경에 대응한다.

따라서, 주어진 오목한 패턴(23)에 대하여, 그 표면의 프로파일은 이하에서는 "z" 또는 F(y)로 불리는 국부 법선 방향을 포함하는 임의의 평면에서 규정될 수 있다. 도 4는 이것의 도시를 제공한다. 오목한 패턴(23)의 프로파일은 굵은 선으로 도시되어 있으며; 이것은 프로파일의 절반을 도시한 것이고, 나머지 절반은 z 방향에 대해 도면에 도시된 프로파일과 대칭이다. "y" 방향은 제 1 면에 대한 국부 접선방향, 즉 국부 법선 방향(z)에 수직인 방향에 대응한다. 이러한 도면에서, Δ 값은 y 방향에서 취해진 오목한 패턴의 최대 폭의 1/4에 대응한다.

상기에서 언급된 바와 같이, 도 4에서 yz 평면에 주어진 절반 프로파일은 오목한 패턴의 형상 전체를 규정하기에 충분하다. 특히, 오목한 패턴은 z 축에 대해 대칭을 나타낸다. 그것은 또한 임의의 yz 평면에서 동일하며, 다시 말해서 y 방향의 배향은 형상에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 절반 프로파일은 제 1 영역에 대응하고, 프로파일의 제 2 영역은 z 방향에 대해 대칭이다.

도 4는 또한 오목한 부분(23)의 전체 대칭 프로파일의 제 1 영역에 대응하는 절반-프로파일의 2개의 부분(231, 232)으로의 분할을 제공한다. 부분(231)은 패턴의 하단 지점(233)으로부터, 유리하게는 패턴의 높이 및 폭의 중간에 위치된 중간 지점(234)까지 연장되는 기저 부분이다. 부분(231)은 오목한 형태를 갖는다.

부분(232)은 제 1 면 상의 오목한 패턴의 개구 상으로 개방된다는 점에서 상부 부분이다. 이 부분(232)은 중간 지점(234)과 패턴의 상단인 지점(235) 사이에서 연장된다.

유리하게는, 기저 부분(231)과 상부 부분(232)은 지점(234)에 대해 서로 대칭이다. 이러한 조건 하에서, 상부 부분의 곡률은 볼록하다.

기저 부분(231)은 지점(233)으로부터 폭 Δ에 걸쳐 연장되고, 상부 부분(232)은 지점(234)으로부터 동일한 폭 Δ에 걸쳐 연장되는 것으로 이해된다.

대칭적으로, 제 2 절반-프로파일은 기저 부분(231)의 z에 대해 대칭인 기저 부분을 포함한다. 2개의 기저 부분은 지점(233)에서 만난다. 이러한 레벨에어서, 유리하게는 그로부터 생성된 곡선에 대한 접선은 국부 법선 방향에 직교한다.

더욱이, 여전히 이러한 레벨에서, 2차 도함수는 무한대이다.

전체 프로파일을 4개의 부분으로 분할하는 것은 결과적인 빔의 정확한 확산을 허용하여, 선명한 에지를 갖는 컷오프를 생성한다. 더욱이, 특히 하단 결합 지점(233)에서의 접선 및 2차 도함수의 관점에서, 본 발명에서 기인하는 기하학적 배열은 광학 출력의 그라데이션(gradation)에 양호하게 작용하여, 패턴(23)의 투과를 통해 가능한 한 일정한 결과 조명을 얻는다. 특히, 오목한 패턴의 형상은, 플래토(plateau)의 상단 및 직선형 플래토 에지에서 일정한 광 강도를 갖는 경우, 특히 생성되는 평면파의 경우에(어떠한 패턴도 없는 상태에서 제 1 면을 통과한 후에) 이러한 평면파가 (측정 지점에 관계없이) 일정한 강도를 갖는다면, 출력 시에, 플래토 형태의 조명을 생성하도록 구성될 수 있다.

하기에서는, 이러한 미세구조가 구비된 제 1 면이 평면이고 광축(3)에 수직이라는 가정 하에서, 오목한 패턴(23)의 프로파일의 하나의 특정 예시적인 실시예가 제공된다.

기저 부분(231)에서, 패턴(23)의 표면을 반영하는 곡선은 함수 z = F(y)로 표현된다.

좌표 (y, z)를 갖는 임의의 지점에서, z = F(y)인 경우 기저 부분(231)의 대응하는 지점이 존재하는 것으로 이해된다. 이러한 함수의 결정에 대해서는 하기에 주어진다. F(y) = z = 0은 패턴의 하단에서 제 1 영역과 제 2 영역 사이의 결합 지점에서 선택될 것이다.

국부 법선 방향(z에 대응함)에 평행하게 지향되는 입사 광선에 기초하여, 하나의 파라미터는 확산 값을 나타내는 광선의 각도 편향이다. 도 4에서는, 가장 편향된 광선의 방향과 국부 법선 방향(z) 사이에 파라미터 γ_max가 주어져 있다.

도 5는, 국부 법선 방향(z)에 대해 편향각 γ만큼 편향된 출사 광선(R)을 생성하는 입사 광선(I)을 기준으로, 부분(231)의 일 지점에서의 기하학적 파라미터를 도시하며; 고려 중인 지점에서, 프로파일에 대한 접선은 T이고, 법선은 N이다.

이러한 조건 하에서, n을 사용하여 렌즈(2)의 재료의 굴절률을 나타내면, 하기의 수학식 1을 작성하는 것이 가능하다:

[수학식 1]

입사 광선의 방향(전형적으로 z에 평행함)과 고려 중인 지점에서의 프로파일에 대한 법선(N) 사이의 각도에 대응하도록 α를 취하거나, 하기와 같도록 α를 취함으로써:

[수학식 2]

각도 arcsin(nsinα)은 도 5에서 부호 A로 주어진다.

도 6은 오목한 패턴의 프로파일을 통해 광을 확산시키는 능력을 나타낸다. 특히, z를 따라 지향되는 입사 광선을 기준으로, 편향된 광선의 최대 3차원 확산에 대응하는 입체각 dΩ을 규정하는 것이 가능하다. 출사 광선의 규칙적인 측방향 확산, 및 따라서 일정한 조명을 갖기 위해, 파라미터 k가 설정되며, 이는 이러한 확산을 반영하는 상수이고, dΩ/dy에 대응한다.

면이 평면인 렌즈(2)의 경우에도, 하기와 같이 작성되는 것도 가능하다.

[수학식 3]

상기 수학식은, z에 평행한 국부 축을 중심으로 한 회전 각도(계산에는 달리 관여되지 않는 각도)인 φ에 대해 0과 2π 사이에서 적분된 dΩ = sin(γ)dγdφ를 작성함으로써 dΩ/dy = k인 것을 표현하며; 따라서, dcos(x)/dx = -sin(x)라는 것을 알면, 하기의 수학식을 작성하는 것이 가능하다:

[수학식 4]

또한 하기도 있다:

[수학식 5]

와 함께,

[수학식 6]

여기서, δ는 물체 공간의 흐림 정도에 대응하고, f는 투영 광학 시스템의 초점 거리에 대응한다. 도 7은 광원의 측방향 오프셋 δ와 광학 시스템의 출력의 편향 오프셋 γ_max와 일치한다는 점에서 이러한 파라미터 δ를 설명한다. 예를 들어, δ는 픽셀의 폭 또는 심지어 절반 픽셀의 폭보다 작은 치수에 대응할 수 있다. 이것은 100 ㎛ 미만, 예를 들어 60 ㎛에 대응할 수 있다. 그러면, 이것은 하기와 같이 주어진다:

[수학식 7]

함수 F를 구하는 해

함수 F를 결정하기 위해 이러한 기본 수학식들을 풀 수 있다.

상기 수학식 1로부터, 함수 sin(α(y))는 γ의 함수로서 바이스퀘어 방정식(bisquare equation)에 대한 해이다. 또한, 일반적으로, 하기와 같이 작성하는 것도 가능하다:

[수학식 8]

하기와 같이 분석적으로 설정하는 것이 가능하다는 것을 의미한다:

[수학식 9]

상기의 수학식 2에 따라, 하기와 같은 한에 있어서 함수 F를 추론하기 위해 y에 대해 적분될 수 있다:

[수학식 10]

작은 편향에 대한 적용

유리하게는, 구해지는 것은 0에 가까운, 출사 광선의 작은 최대 편향(작은 파라미터 γ_max)이다. 전형적으로 0.02°의 편향이 구해진다. 이러한 조건 하에서, 값 α 및 γ도 또한 0에 가깝다. 따라서, 하기와 같이 작성하도록 상기의 식을 단순화하는 것이 가능하다:

[수학식 11]

이로부터:

[수학식 12]

또한 하기도 있다:

[수학식 13]

여기서, υ는 일반 변수로서, 종종 1차원에 대해 x로도 표시되며, o(x)는 "x에 비해 무시 가능한 것"(제한된 확장의 최종 항)을 의미한다.

[수학식 14]

[수학식 15]

이로부터:

[수학식 16]

[수학식 17]

그리고 최종적으로:

[수학식 18]

이렇게 규정된 함수 F는 주어진 굴절률에 대해 출사 광선의 원하는 확산을 반영하는 파라미터 k에만 의존한다. 유리하게는, 공식 F(y)에서 y에 할당된 거듭제곱(power)은 2보다 작다.

프로파일의 이러한 구성에서, 접선은 무한대 2차 도함수를 갖는 하단 결합 지점(233)에서 국부 법선 방향(z)에 수직이 된다.

프로파일의 다른 부분은 대칭으로 인해 부분(231)으로부터 추론된다. 특히, 하기와 같은 추론된 함수 f(y)가 존재한다:

z를 따른 좌표의 원점을 사용하여, y가 Δ 이하이면, f(y) = F(y)-2F(Δ)이고, y가 Δ 초과이고 2Δ 이하이면, f(y) = -F(2Δ-y)이며, y는 이전과 같이 패턴의 하단이 아니라 상기 패턴의 상단에서 취해지기 때문에 F(y)의 이전 계산과 관련하여 수정된다. 패턴의 하단에서 z를 따른 원점을 유지하면서 다른 식이 채택될 수 있다:

y가 Δ 이하이면, f(y) = F(y)이고, y가 Δ 초과이고 2Δ 이하이면, f(y) = 2F(Δ)-F(2Δ-y)이다.

도 8 및 도 9는 파라미터 γ_max에 대한 상이한 설정으로 본 발명에 의해 생성된 결과의 두 가지 예를 제공한다. 제 1 경우에, 발광 요소 사이의 공간은 비교적 검출 가능하며, 그에 따라 조명 균질성이 완전하지 않고, 결과적인 빔은 광원의 틈새 영역에 대응하는 보다 어두운 영역을 포함한다. 제 2 경우에, 방출 요소의 개별 특성이 훨씬 덜 인식되며, 파라미터 δ는 이전 경우에 비해 2배가 되었다(20 ㎛ 대신에, 40 ㎛).

본 발명은 전술한 실시예에 제한되지 않는다.

Claims

복수의 선택적으로 활성화 가능한 방출 요소(11)를 포함하는 픽셀화된 광원(1)과 상호작용할 수 있는 광 빔을 투영하기 위한 광학 장치로서, 상기 광학 장치는 렌즈(2)를 포함하고, 상기 렌즈(2)의 제 1 면은 오목한 패턴(23)의 어레이를 포함하는, 상기 광학 장치에 있어서,
각각의 오목한 패턴(23)은,
- 상기 오목한 패턴이 상기 제 1 면에 대한 국부 법선 방향(z)에 대해 회전 대칭을 나타내어, 상기 국부 법선 방향(z)을 포함하는 임의의 평면에서, 2개의 영역, 구체적으로 제 1 영역 및 제 2 영역을 갖는, 국부 법선에 대한 대칭 프로파일을 규정하고,
- 상기 2개의 영역 각각이 2개의 부분을 포함하고, 상기 제 1 영역의 기저 부분(231)이 상기 제 2 영역의 기저 부분과의 하단 결합 지점(233)을 갖고, 상기 제 1 영역의 기저 부분(231)이 상기 제 1 영역의 상부 부분(232)과의 제 1 중간 결합 지점(234)을 포함하고, 상기 제 2 영역의 기저 부분이 상기 제 2 영역의 상부 부분과의 제 2 중간 결합 지점을 포함하고,
- 상기 2개의 영역 각각에 대해, 상기 기저 부분과 상기 상부 부분이 각각의 중간 결합 지점에 대해 대칭이 되도록 되는 것을 특징으로 하는
광학 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 대칭 프로파일은, 상기 하단 결합 지점(233)에서, 상기 국부 법선 방향에 직교하는 접선 및 무한대 2차 도함수를 갖는
광학 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 대칭 프로파일은 상기 제 1 영역의 기저 부분(231)의 하기 수학식에 의해 규정되며:

여기서,
- F(y)는 상기 제 2 영역의 기저 부분과의 하단 결합 지점을 상기 국부 법선 방향(z)을 따른 좌표의 원점으로서 사용하는 상기 국부 법선 방향(z)을 따른, 상기 제 1 영역의 기저 부분(231)의 지점의 좌표이며, 상기 지점은 상기 국부 법선 방향(z)에 수직인 국부 방향을 따른 좌표로서 y를 가지며,
- n은 상기 렌즈의 재료의 굴절률이고,
- k는 상수인
광학 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 면은 상기 렌즈(2)의 출사면(22)인
광학 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 면은 평면에 의해 지지되는
광학 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 면은 구면의 일부에 의해 지지되는
광학 장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
출력 시의 광선의 최대 편향각(γ_max)은 유리하게는 상기 복수의 방출 요소(11) 중 하나의 방출 요소의 폭 이하이거나, 바람직하게는 절반-폭인
광학 장치.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 패턴(11)은 2 ㎛ 미만의 깊이 치수를 갖는
광학 장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 패턴(11)은 상기 제 1 면에서 1.5 ㎜ 미만의 직경을 갖는
광학 장치.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 렌즈(2)는 투영 렌즈인
광학 장치.
특히 자동차용 조명 모듈에 있어서,
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 광학 장치와, 복수의 선택적으로 활성화 가능한 방출 요소(11)를 포함하는 픽셀화된 광원(1)을 포함하는
조명 모듈.